JPH10177032A - Acceleration sensor - Google Patents
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Landscapes
- Measuring Volume Flow (AREA)
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
- Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は加速度センサに関
し、特に、地震の振動検出に用いるのに適した低消費電
力型の多次元加速度センサに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an acceleration sensor, and more particularly to a low power consumption type multidimensional acceleration sensor suitable for use in detecting vibration of an earthquake.
【0002】[0002]
【従来の技術】都市生活でごく日常的に利用されている
インフラ設備には、災害時における対応策を盛り込むこ
とが不可欠であり、特に、地震対策はその最も重要な課
題である。たとえば、エレベータの運転制御装置は、地
震の振動を検知したら、かごを最寄階で停止させ、運転
を停止させる必要がある。また、都市ガスの供給系に
は、マイクロコンピュータを内蔵したガスメータが設置
されており、地震の振動を検知すると、ガスの供給弁を
閉鎖し、自動的にガスの供給を停止させる機能が付加さ
れている。2. Description of the Related Art It is indispensable to incorporate countermeasures in the event of a disaster into infrastructure equipment that is used very daily in urban life. In particular, countermeasures against earthquakes are the most important issue. For example, when an elevator operation control device detects an earthquake vibration, it is necessary to stop the car on the nearest floor and stop the operation. In addition, a gas meter with a built-in microcomputer is installed in the city gas supply system. When an earthquake vibration is detected, a function to close the gas supply valve and automatically stop gas supply has been added. ing.
【0003】このような地震の振動を検出するためのセ
ンサとして、従来は、機械式の加速度センサが用いられ
ている。たとえば、ガスメータに内蔵されている一般的
な地震計は、いわゆる「ボール式感震センサ」であり、
半球状のカップの底に、自由に転がる状態でボールを収
容し、カップの縁の部分に機械式スイッチを設けたもの
である。地震の揺れにより、ボールがカップの内壁面を
底から縁へと伝い上がり機械式スイッチに接触すると、
電気的な検出信号が得られるしくみになっている。Conventionally, a mechanical acceleration sensor has been used as a sensor for detecting such earthquake vibration. For example, a general seismometer built in a gas meter is a so-called "ball type seismic sensor",
A ball is accommodated in the bottom of a hemispherical cup in a freely rolling state, and a mechanical switch is provided at an edge portion of the cup. When the ball moves down the inner wall of the cup from the bottom to the rim due to the shaking of the earthquake and comes into contact with the mechanical switch,
It is designed to provide an electrical detection signal.
【0004】この「ボール式感震センサ」は、単純な構
造ではあるが、機械式スイッチのON/OFFの状態を
示す信号しか得られないため、検出結果を示す情報量は
乏しいと言わざるを得ない。通常、地震には、「横揺れ
成分(水平方向の振動成分)」と「縦揺れ成分(垂直方
向の振動成分)」とが含まれており、前者はS波と呼ば
れている振動波に起因する揺れの成分であり、後者はP
波と呼ばれている振動波に起因する揺れの成分である。
一般に、地震による被害を予測するためには、「横揺れ
成分」と「縦揺れ成分」との双方を別個独立して検出す
るのが望ましい。ところが、従来から用いられている
「ボール式感震センサ」は、その構造上、「横揺れ成
分」の検出しか行うことができない(「縦揺れ」が生じ
ても、センサ全体が上下に振動するため、ボールがカッ
プの縁まで転がり上ることがなく、機械式スイッチを動
作させることができない)。また、この「ボール式感震
センサ」は、機械的な構成要素を含むため、小型化が困
難であるという別な問題もかかえている。Although the "ball type seismic sensor" has a simple structure, it can only obtain a signal indicating the ON / OFF state of the mechanical switch, so that the amount of information indicating the detection result is scarce. I can't get it. Ordinarily, an earthquake includes a “rolling component (horizontal vibration component)” and a “pitch component (vertical vibration component)”, and the former includes a vibration wave called an S wave. Is the component of the shaking caused by the
It is a swaying component caused by an oscillating wave called a wave.
Generally, in order to predict damage caused by an earthquake, it is desirable to detect both the “rolling component” and the “pitch component” separately and independently. However, the conventionally used "ball-type seismic sensor" can detect only "rolling component" because of its structure. (Even if "pitching" occurs, the whole sensor vibrates up and down Therefore, the ball does not roll up to the edge of the cup, and the mechanical switch cannot be operated). Further, the "ball type seismic sensor" has another problem that it is difficult to reduce the size because it includes mechanical components.
【0005】このような機械式の加速度センサに代わっ
て、近年、電子式の加速度センサが種々提案されてお
り、特に、最近では、二次元あるいは三次元の加速度を
各方向成分ごとに独立して検出し、電気信号として出力
することが可能な多次元加速度センサが注目を集めてい
る。たとえば、特許協力条約に基づく国際公開公報第W
O88/08522号には、ピエゾ抵抗素子を用いた三
次元加速度センサが開示されている。このセンサでは、
複数のピエゾ抵抗素子を半導体基板上の特定の位置に形
成することにより、XYZ三次元座標系における各座標
軸方向の加速度成分をそれぞれ独立して検出することが
できる。また、国際公開公報第WO91/10118号
や同WO92/17759号公報には、静電容量素子を
用いた三次元加速度センサが開示されており、国際公開
公報第WO93/02342号公報には、圧電素子を用
いた三次元加速度センサが開示されている。これらのセ
ンサでは、複数の電極を特定の位置に形成することによ
り、やはりXYZ三次元座標系における各座標軸方向の
加速度成分をそれぞれ独立して検出することができる。In recent years, various types of electronic acceleration sensors have been proposed in place of such mechanical acceleration sensors. In particular, recently, two-dimensional or three-dimensional acceleration has been independently provided for each direction component. A multidimensional acceleration sensor capable of detecting and outputting as an electric signal has attracted attention. For example, International Publication No. W based on the Patent Cooperation Treaty
O88 / 08522 discloses a three-dimensional acceleration sensor using a piezoresistive element. With this sensor,
By forming a plurality of piezoresistive elements at specific positions on the semiconductor substrate, acceleration components in each coordinate axis direction in the XYZ three-dimensional coordinate system can be independently detected. In addition, International Publication Nos. WO91 / 10118 and WO92 / 17759 disclose a three-dimensional acceleration sensor using a capacitance element, and International Publication WO93 / 02342 discloses a piezoelectric acceleration sensor. A three-dimensional acceleration sensor using an element is disclosed. In these sensors, by forming a plurality of electrodes at specific positions, it is also possible to independently detect acceleration components in each coordinate axis direction in the XYZ three-dimensional coordinate system.
【0006】上述した電子式の多次元加速度センサを地
震計として利用すれば、「横揺れ成分」と「縦揺れ成
分」との双方を別個独立して検出することが可能にな
る。しかも、検出結果は、各方向成分ごとの大きさを示
す電気信号として出力されるため、マイクロコンピュー
タなどを用いてエレベータの運転制御やガスの供給制御
を行う上で非常に適している。また、電子式の加速度セ
ンサは、半導体回路などで利用されている集積化の技術
を転用して大量生産を行うことも可能であり、小型化や
量産化にも適している。If the above-mentioned electronic multi-dimensional acceleration sensor is used as a seismometer, it is possible to detect both the "rolling component" and the "pitch component" separately. Moreover, since the detection result is output as an electric signal indicating the magnitude of each direction component, it is very suitable for controlling the operation of the elevator and controlling the gas supply using a microcomputer or the like. Further, the electronic acceleration sensor can be mass-produced by diverting the integration technology used in semiconductor circuits and the like, and is suitable for miniaturization and mass production.
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする課題】上述したように、機械
式の加速度センサに比べ、電子式の加速度センサは、多
次元の検出値を電気信号として得ることができ、小型化
や量産化に適しているというメリットを有するが、消費
電力の面で問題がある。機械式の加速度センサの場合、
振動が生じたときにのみ電力が消費される構造を採るこ
とが可能であり、電力供給を常時行う必要はない。たと
えば、現在、多くのガスメータに内蔵されている「ボー
ル式感震センサ」は、地震のない平常時は、ボールがカ
ップの底に静止した状態となっており、カップの縁に取
り付けられた機械式スイッチはOFFの状態を維持して
いる。この状態では、原理的には、電力消費は一切生じ
ない。別言すれば、地震の振動により、ボールがカップ
の縁へと転がり上り、機械式スイッチをONにしたとき
にのみ電力が消費されることになる。As described above, an electronic acceleration sensor can obtain a multidimensional detection value as an electric signal and is more suitable for miniaturization and mass production than a mechanical acceleration sensor. However, there is a problem in terms of power consumption. In the case of a mechanical acceleration sensor,
It is possible to adopt a structure in which power is consumed only when vibration occurs, and it is not necessary to constantly supply power. For example, the "ball-type seismic sensor" currently built into many gas meters is based on a machine mounted on the edge of the cup, where the ball is stationary at the bottom of the cup in normal times without an earthquake. The expression switch maintains the OFF state. In this state, in principle, no power consumption occurs. In other words, the vibration of the earthquake causes the ball to roll up to the edge of the cup and consume power only when the mechanical switch is turned on.
【0008】これに対して、上述した電子式の加速度セ
ンサは、電力の供給を受けてはじめてセンサとしての正
常動作を行う機構になっているため、電力供給を常時行
っていなければ、センサとして機能しない。もちろん、
一般的な工作機械などに取り付けて利用する場合には、
常時、電力供給を行うことを前提とした加速度センサで
も何ら問題はない。しかしながら、地震計の場合、平常
時は振動のない環境に設置されながら、非常に長い期間
にわたって万一の振動発生を検知する役目を果たす必要
がある。このため、電力供給を常時必要とする電子式の
加速度センサを地震計に利用するには、徹底した低消費
電力化を図ることが不可欠である。On the other hand, since the above-mentioned electronic acceleration sensor is a mechanism that normally operates as a sensor only after receiving power supply, it functions as a sensor unless power is constantly supplied. do not do. of course,
When used by attaching to general machine tools, etc.,
There is no problem even if the acceleration sensor is assumed to always supply power. However, in the case of a seismometer, it is necessary to detect the occurrence of vibration for an extremely long period of time while being installed in a vibration-free environment in normal times. For this reason, in order to use an electronic acceleration sensor that always requires power supply for a seismometer, it is essential to thoroughly reduce power consumption.
【0009】たとえば、わが国の基準によると、ガスメ
ータは10年ごとに交換されることになっているため、
ガスメータ用の地震計として用いる加速度センサには、
少なくとも10年間は電池交換なしに動作し続けるとい
う性能が要求されることになる。For example, according to Japanese standards, gas meters are to be replaced every 10 years.
Accelerometers used as seismometers for gas meters include:
A performance that will continue to operate without battery replacement for at least 10 years is required.
【0010】そこで本発明は、低消費電力で動作可能な
電子式の加速度センサを提供することを目的とする。Accordingly, an object of the present invention is to provide an electronic acceleration sensor operable with low power consumption.
【0011】[0011]
(1) 本発明の第1の態様は、所定の検出軸方向の加速
度成分を検出する複数の主検出素子と、これら主検出素
子に対して電力を供給する主電力供給手段と、個々の主
検出素子をそれぞれの検出軸方向が互いに異なるような
配置となるように支持する支持手段と、を備え、各主検
出素子に対して主電力供給手段から電力供給を行うこと
により、複数の検出軸方向の加速度成分をそれぞれ独立
した電気信号として出力する機能をもった加速度センサ
において、予め設定したモニター用検出軸方向の加速度
成分を検出できるように支持手段によって支持された副
検出素子と、この副検出素子により検出される加速度成
分が電気信号として出力されるように、副検出素子に対
して電力を供給する副電力供給手段と、副電力供給手段
に対しては、センサ動作中の期間における少なくとも主
電力供給手段が電力供給を行っていない期間は、電力供
給を行うよう制御し、主電力供給手段に対しては、副検
出素子の出力する電気信号が所定のしきい値レベル以上
の場合にのみ、電力供給を行うよう制御する制御手段
と、を更に設けたものである。(1) The first aspect of the present invention provides a plurality of main detection elements for detecting an acceleration component in a predetermined detection axis direction, main power supply means for supplying power to these main detection elements, and individual main power supply means. Supporting means for supporting the detection elements so that the respective detection axis directions are different from each other, and supplying power from the main power supply means to each of the main detection elements, thereby providing a plurality of detection axes. In an acceleration sensor having a function of outputting acceleration components in the respective directions as independent electric signals, a sub-detection element supported by a support means so as to be able to detect a predetermined acceleration component in a detection axis direction for monitoring, A sub-power supply means for supplying power to the sub-detection element and a sensor operation for the sub-power supply means such that the acceleration component detected by the detection element is output as an electric signal. At least during a period during which the main power supply unit is not supplying power during the operation, control is performed so that power is supplied. And control means for controlling power supply only when the value is equal to or higher than the value level.
【0012】(2) 本発明の第2の態様は、上述の第1
の態様に係る加速度センサにおいて、複数組の副検出素
子を、それぞれのモニター用検出軸方向が互いに異なる
ような配置となるように、支持手段によって支持したも
のである。(2) The second aspect of the present invention is the above-mentioned first aspect.
In the acceleration sensor according to the aspect, a plurality of sets of sub-detecting elements are supported by supporting means such that the sub-detecting elements are arranged so that the directions of the monitoring detection axes are different from each other.
【0013】(3) 本発明の第3の態様は、上述の第1
または第2の態様に係る加速度センサにおいて、複数の
主検出素子のうちの一部を副検出素子として兼用し、主
電力供給手段の一部を副電力供給手段として兼用するよ
うにしたものである。(3) The third aspect of the present invention is the above-described first aspect.
Alternatively, in the acceleration sensor according to the second aspect, a part of the plurality of main detection elements is also used as a sub-detection element, and a part of the main power supply is also used as a sub-power supply. .
【0014】(4) 本発明の第4の態様は、上述の第1
〜第3の態様に係る加速度センサにおいて、副電力供給
手段による電力供給を、所定のサンプリング周期をもっ
たパルス信号を用いて断続的に行うようにしたものであ
る。(4) The fourth aspect of the present invention is the above-mentioned first aspect.
In the acceleration sensor according to the third to third aspects, the power supply by the sub power supply means is performed intermittently by using a pulse signal having a predetermined sampling cycle.
【0015】(5) 本発明の第5の態様は、上述の第1
〜第4の態様に係る加速度センサにおいて、中心部と周
辺部とのいずれか一方がセンサ筐体に固定され、他方に
重錘体が形成された可撓性をもった基板により支持手段
を構成し、この可撓性基板の中心部に原点Oを定め、基
板主面がXY平面に含まれるようにXYZ三次元座標系
を定義したときに、基板のX軸の正の部分の応力もしく
は変位を検出する第1の検出器と、基板のX軸の負の部
分の応力もしくは変位を検出する第2の検出器と、基板
のY軸の正の部分の応力もしくは変位を検出する第3の
検出器と、基板のY軸の負の部分の応力もしくは変位を
検出する第4の検出器と、を設け、第1の検出器と第2
の検出器とによりX軸方向を検出軸方向とする主検出素
子を構成し、第3の検出器と第4の検出器とによりY軸
方向を検出軸方向とする主検出素子を構成し、更に、基
板の任意の一部分の応力もしくは変位を検出する補助検
出器を設け、この補助検出器により副検出素子を構成し
たものである。(5) The fifth aspect of the present invention is the above-mentioned first aspect.
In the acceleration sensor according to any one of the fourth to fourth aspects, one of the central portion and the peripheral portion is fixed to the sensor housing, and the supporting means is formed by a flexible substrate having a weight body formed on the other. When the origin O is defined at the center of the flexible substrate and the XYZ three-dimensional coordinate system is defined such that the main surface of the substrate is included in the XY plane, the stress or displacement of the positive portion of the X-axis of the substrate is obtained. , A second detector for detecting the stress or displacement of the negative portion of the X-axis of the substrate, and a third detector for detecting the stress or displacement of the positive portion of the Y-axis of the substrate. A first detector and a second detector for detecting a stress or a displacement of a negative portion of the substrate on the Y-axis;
And a third detector and a fourth detector constitute a main detection element having a Y-axis direction as a detection axis direction. Further, an auxiliary detector for detecting stress or displacement of an arbitrary part of the substrate is provided, and the auxiliary detector constitutes a sub-detection element.
【0016】(6) 本発明の第6の態様は、上述の第5
の態様に係る加速度センサにおいて、重錘体にZ軸方向
の力が作用したときに可撓性基板に生じる応力もしくは
変位を検出する検出器を更に設け、この検出器によりZ
軸方向を検出軸方向とする主検出素子を構成したもので
ある。(6) The sixth aspect of the present invention is directed to the above-mentioned fifth aspect.
In the acceleration sensor according to the aspect, a detector for detecting a stress or a displacement generated on the flexible substrate when a force in the Z-axis direction is applied to the weight body is further provided.
This constitutes a main detection element whose detection direction is the axial direction.
【0017】(7) 本発明の第7の態様は、上述の第1
〜第6の態様に係る加速度センサにおいて、加速度の作
用により応力が加わるように構成された圧電素子の基板
を支持手段として用い、この圧電素子の所定部分に発生
する電荷を検出する電極と、この電極で検出された電荷
量を電気信号として出力する電子回路と、によって各検
出素子を構成したものである。(7) The seventh aspect of the present invention is the above-mentioned first aspect.
In the acceleration sensor according to the sixth to sixth aspects, an electrode for detecting a charge generated in a predetermined portion of the piezoelectric element using a substrate of the piezoelectric element configured to apply a stress by the action of acceleration as a support means, Each detection element is constituted by an electronic circuit that outputs the amount of charge detected by the electrode as an electric signal.
【0018】(8) 本発明の第8の態様は、上述の第1
〜第6の態様に係る加速度センサにおいて、加速度の作
用により応力が加わるように構成された単結晶基板を支
持手段として用い、この単結晶基板上の所定位置に形成
されたピエゾ抵抗素子と、このピエゾ抵抗素子の抵抗値
の変化を電気信号として出力する電子回路と、によって
各検出素子を構成したものである。(8) The eighth aspect of the present invention is the above-mentioned first aspect.
In the acceleration sensor according to the sixth to sixth aspects, a piezoresistive element formed at a predetermined position on the single crystal substrate using a single crystal substrate configured to apply stress by the action of acceleration as a support means, An electronic circuit for outputting a change in the resistance value of the piezoresistive element as an electric signal constitutes each detecting element.
【0019】(9) 本発明の第9の態様は、上述の第1
〜第6の態様に係る加速度センサにおいて、加速度の作
用により撓みが生じるように構成された可撓性基板と、
この可撓性基板に対向する位置に配置された固定基板
と、によって支持手段を構成し、可撓性基板上の所定位
置に配置された変位電極と、固定基板上の所定位置に配
置された固定電極と、によって容量素子を構成し、この
容量素子と、この容量素子の容量値の変化を電気信号と
して出力する電子回路と、によって各検出素子を構成し
たものである。(9) The ninth aspect of the present invention is the above-mentioned first aspect.
In the acceleration sensor according to any one of the first to sixth aspects, a flexible substrate configured to bend by an action of acceleration;
A fixed substrate arranged at a position facing the flexible substrate constitutes a support means, and a displacement electrode arranged at a predetermined position on the flexible substrate and a displacement electrode arranged at a predetermined position on the fixed substrate. Each detection element is constituted by a fixed electrode and a capacitance element, and the capacitance element and an electronic circuit for outputting a change in the capacitance value of the capacitance element as an electric signal.
【0020】(10) 本発明の第10の態様は、上述の第
7の態様に係る加速度センサにおいて、副検出素子を構
成する圧電素子に発生した電荷に基づいてON/OFF
動作するトランジスタを設け、このトランジスタに流れ
る電流を副検出素子からの電気信号として取り出すよう
にしたものである。(10) According to a tenth aspect of the present invention, in the acceleration sensor according to the seventh aspect described above, ON / OFF is performed based on electric charges generated in a piezoelectric element constituting a sub-detecting element.
An operating transistor is provided, and a current flowing through the transistor is extracted as an electric signal from a sub-detection element.
【0021】[0021]
【発明の実施の形態】以下、本発明を図示する実施形態
に基づいて説明する。図1は、従来の一般的な電子式の
三次元加速度センサの基本構成を示すブロック図であ
る。この加速度センサは、XYZ三次元座標系における
X軸方向の加速度成分αx、Y軸方向の加速度成分α
y、Z軸方向の加速度成分αzをそれぞれ別個独立して
検出し、これらを電気信号として出力する機能を有して
いる。ここで、X軸方向主検出素子11は、X軸方向の
加速度成分αxを検出する機能を有し、Y軸方向主検出
素子12は、Y軸方向の加速度成分αyを検出する機能
を有し、Z軸方向主検出素子13は、Z軸方向の加速度
成分αzを検出する機能を有している。また、主電力供
給手段20は、これらの各主検出素子11〜13を動作
させるための電力供給を行う機能を有している。各主検
出素子11〜13は、この電力供給を受けることにより
動作する検出素子であり、電力供給が停止すると動作は
停止する。一方、支持手段30は、各主検出素子11〜
13をそれぞれ特定の方向に配置した状態で支持固定す
る手段である。上述のように、各主検出手段11〜13
は、それぞれXYZ三次元座標系における各座標軸方向
の加速度成分を検出する機能を有しており、それぞれが
特定の方向性をもった検出処理を行うことになる。支持
手段30は、個々の主検出手段11〜13による検出軸
方向がそれぞれ異なるように(この実施形態では、各検
出軸方向が互いに直交するように)、各主検出手段11
〜13を所定の向きに配置して支持固定する役目を果た
す。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below based on an embodiment shown in the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a basic configuration of a conventional general electronic three-dimensional acceleration sensor. This acceleration sensor has an acceleration component αx in the X-axis direction and an acceleration component α in the Y-axis direction in the XYZ three-dimensional coordinate system.
It has a function of detecting acceleration components αz in the y- and Z-axis directions separately and independently, and outputting these as electric signals. Here, the X-axis direction main detection element 11 has a function of detecting an acceleration component αx in the X-axis direction, and the Y-axis direction main detection element 12 has a function of detecting an acceleration component αy in the Y-axis direction. , The Z-axis direction main detecting element 13 has a function of detecting the acceleration component αz in the Z-axis direction. Further, the main power supply means 20 has a function of supplying power for operating these main detection elements 11 to 13. Each of the main detection elements 11 to 13 is a detection element that operates by receiving the power supply, and stops operating when the power supply is stopped. On the other hand, the support means 30 includes the main detection elements 11 to
13 is a means for supporting and fixing the respective members 13 in a specific direction. As described above, each of the main detection units 11 to 13
Have a function of detecting an acceleration component in each coordinate axis direction in the XYZ three-dimensional coordinate system, and each performs a detection process having a specific direction. The support means 30 is provided so that the detection axis directions of the individual main detection means 11 to 13 are different from each other (in this embodiment, the detection axis directions are orthogonal to each other).
To 13 are arranged in a predetermined direction and serve to support and fix.
【0022】この図1に示すような構成をもった加速度
センサは、作用した加速度についてのXYZ三次元座標
系における各座標軸方向成分を、それぞれ独立した電気
信号として検出することができるので、作用した加速度
の三次元空間内での向きと大きさを特定することができ
る。したがって、この加速度センサを地震計として利用
すれば、「横揺れ成分」と「縦揺れ成分」とを独立して
認識できることはもとより、揺れの方向について、正確
な角度まで特定することが可能になる。The acceleration sensor having the configuration as shown in FIG. 1 operates because each coordinate axis direction component in the XYZ three-dimensional coordinate system of the applied acceleration can be detected as an independent electric signal. The direction and magnitude of the acceleration in the three-dimensional space can be specified. Therefore, if this acceleration sensor is used as a seismograph, not only can the "rolling component" and "pitch component" be recognized independently, but also the direction of the rocking can be specified to an accurate angle. .
【0023】しかしながら、この加速度センサを動作さ
せるには、主電力供給手段20から各主検出手段11〜
13へ電力供給を行うことが前提となるため、地震計と
して機能させるためには、主電力供給手段20からの電
力供給を常時行う必要がある。したがって、たとえば、
10年間電池交換なしで動作することが要求される用途
に利用する場合には、内蔵電池で10年分の消費電力を
賄う必要があり、消費電力を低減させるための工夫が不
可欠となる。However, in order to operate the acceleration sensor, the main power supply means 20 supplies the main detection means 11 to
Since it is assumed that power is supplied to the power supply 13, it is necessary to always supply power from the main power supply means 20 in order to function as a seismometer. So, for example,
When used for an application that requires operation without battery replacement for 10 years, it is necessary to cover power consumption for 10 years with the built-in battery, and a device for reducing power consumption is indispensable.
【0024】図2は、本発明に係る電子式の三次元加速
度センサの基本構成を示すブロック図である。この加速
度センサは、図1に示した従来の加速度センサと同様
に、XYZ三次元座標系における各軸方向の加速度成分
αx、αy、αzをそれぞれ独立した電気信号として出
力する機能を有する。ここで、各主検出素子11〜1
3、主電力供給手段20、支持手段30は、図1に示す
従来の加速度センサと同様の構成要素である。この加速
度センサの特徴は、従来の電子式加速度センサに、更
に、副検出素子40、副電力供給手段50、制御手段6
0を付加した点にある。FIG. 2 is a block diagram showing a basic configuration of an electronic three-dimensional acceleration sensor according to the present invention. This acceleration sensor has a function of outputting acceleration components αx, αy, and αz in the respective axial directions in the XYZ three-dimensional coordinate system as independent electric signals, similarly to the conventional acceleration sensor shown in FIG. Here, each of the main detection elements 11 to 1
3. The main power supply means 20 and the support means 30 are the same components as the conventional acceleration sensor shown in FIG. The characteristics of this acceleration sensor are different from those of the conventional electronic acceleration sensor in that a sub-detecting element 40, a sub-power supply unit 50, a control unit 6
The point is that 0 is added.
【0025】副検出素子40は、予め設定したモニター
用検出軸方向の加速度成分を検出できるように支持手段
30によって支持された素子である。ここで、モニター
用検出軸は、加速度(振動)を監視する対象となる方向
を示す軸であり、用途に応じて最も効果的と思われる方
向に、モニター用検出軸を設定すればよい。もちろん、
このモニター用検出軸は、主検出素子の検出軸と同じ方
向(具体的には、X軸,Y軸,Z軸)に設定してもかま
わない。実用上は、各主検出素子11〜13および副検
出素子40を、物理的に同じ構造をもち同じ原理を利用
した同種の検出素子で構成するのが、全体の構造を単純
化し、製造コストを低減させる上で好ましい。The sub-detecting element 40 is an element supported by the supporting means 30 so as to detect a preset acceleration component in the direction of the monitoring detection axis. Here, the monitor detection axis is an axis indicating a direction in which acceleration (vibration) is to be monitored, and the monitor detection axis may be set in a direction that seems to be most effective according to the application. of course,
This monitoring detection axis may be set in the same direction (specifically, the X axis, the Y axis, and the Z axis) as the detection axis of the main detection element. In practice, each of the main detection elements 11 to 13 and the sub-detection element 40 are constituted by the same kind of detection elements having the same physical structure and using the same principle, which simplifies the entire structure and reduces the manufacturing cost. It is preferable in reducing the amount.
【0026】副電力供給手段50は、副検出素子40に
対して電力供給を行うための手段であり、電力を供給す
るという本質的な機能に関しては、主電力供給手段20
と全く同じである。副検出素子40は、副電力供給手段
50からの電力供給を受けることにより、モニター用検
出軸方向の加速度成分、すなわち、モニター加速度成分
αmを電気信号として出力する。The sub-power supply means 50 is a means for supplying power to the sub-detection element 40, and has an essential function of supplying power.
Is exactly the same as The sub-detecting element 40 receives the power supply from the sub-power supply means 50 and outputs an acceleration component in the monitoring detection axis direction, that is, a monitor acceleration component αm as an electric signal.
【0027】制御手段60は、主電力供給手段20およ
び副電力供給手段50に対して、電力供給指示を与える
機能を有する。まず、副電力供給手段50に対しては、
センサ動作中は常時、電力供給を行う旨の指示が与えら
れる。すなわち、この加速度センサの電源スイッチをO
Nにすると、制御手段60から副電力供給手段50に対
して常に電力供給を行う旨の指示が与えられ、副検出素
子40はこの電力供給を受けて、常時、検出動作を行う
ことになる。一方、主電力供給手段20に対しては、副
検出素子40から電気信号として出力されるモニター加
速度成分αmの値が、所定のしきい値レベル以上の場合
にのみ、電力供給を行う旨の指示が与えられる。別言す
れば、モニター加速度成分αmの値がしきい値レベルに
達しない場合、主電力供給手段20には、給電停止の指
示が与えられることになり、各主検出素子11〜13に
対する電力供給は行われないことになる。The control means 60 has a function of giving a power supply instruction to the main power supply means 20 and the sub power supply means 50. First, for the sub power supply means 50,
During the operation of the sensor, an instruction to supply power is always given. That is, the power switch of this acceleration sensor is set to O
When N is set, the control unit 60 gives an instruction to always supply power to the sub-power supply unit 50, and the sub-detection element 40 receives this power supply and always performs the detection operation. On the other hand, the main power supply means 20 is instructed to supply power only when the value of the monitor acceleration component αm output as an electric signal from the sub detection element 40 is equal to or higher than a predetermined threshold level. Is given. In other words, if the value of the monitor acceleration component αm does not reach the threshold level, an instruction to stop power supply is given to the main power supply means 20, and power supply to each of the main detection elements 11 to 13 is performed. Will not be performed.
【0028】結局、この図2に示す本発明の加速度セン
サを地震計として利用した場合、電源スイッチをONに
することにより、まず、副電力供給手段50から副検出
素子40に対して電力供給が行われ、主電力供給手段2
0から各主検出素子11〜13に対する電力供給は停止
した状態になる。別言すれば、主検出素子11〜13は
動作せず、副検出素子40のみが動作した状態になる。
副検出素子40は、所定のモニター用検出軸方向の加速
度成分αmを検出して電気信号として出力するが、平常
時、所定の大きさ以上の地震が発生しなければ、モニタ
ー加速度成分αmはしきい値以下の値となるので、制御
手段60は、依然として、副電力供給手段50に対して
のみ電力供給を行う旨の指示を与えることになる。こう
して、この加速度センサの平常時の動作モードでは、副
検出素子40のみが機能している状態が続くことにな
る。After all, when the acceleration sensor of the present invention shown in FIG. 2 is used as a seismometer, by turning on the power switch, first, power is supplied from the sub power supply means 50 to the sub detection element 40. The main power supply means 2
From 0, the power supply to the main detection elements 11 to 13 is stopped. In other words, the main detection elements 11 to 13 do not operate, and only the sub-detection element 40 operates.
The sub-detecting element 40 detects the acceleration component αm in the direction of the predetermined detection axis for monitoring and outputs it as an electric signal. Since the value is equal to or smaller than the threshold value, the control means 60 still gives an instruction to supply power only to the sub power supply means 50. Thus, in the normal operation mode of the acceleration sensor, the state where only the sub-detection element 40 is functioning continues.
【0029】ところが、実際に地震が発生すると、副検
出素子40の出力するモニター加速度成分αmが所定の
しきい値を越え、地震の初期振動が検出されることにな
る。すると、制御手段60は、主電力供給手段20に対
して電力供給を開始するよう指示を与える。その結果、
主電力供給手段20から各主検出素子11〜13に対し
て電力が供給され、各主検出素子11〜13はそれぞれ
本来の検出動作を開始する。これにより、加速度の各軸
方向成分αx,αy,αzがそれぞれ独立して検出さ
れ、電気信号として出力されることになる。やがて、地
震の振動が収まり、副検出素子40の出力するモニター
加速度成分αmが所定のしきい値に満たなくなると、制
御手段60から主電力供給手段20に対して、電力供給
を停止するよう指示が与えられる。その結果、主電力供
給手段20から各主検出素子11〜13に対する電力供
給は停止し、各主検出素子11〜13は動作を停止する
ことになる。However, when an earthquake actually occurs, the monitor acceleration component αm output from the sub-detecting element 40 exceeds a predetermined threshold, and an initial vibration of the earthquake is detected. Then, the control means 60 gives an instruction to the main power supply means 20 to start power supply. as a result,
Power is supplied from the main power supply unit 20 to each of the main detection elements 11 to 13, and each of the main detection elements 11 to 13 starts an original detection operation. As a result, the axial components αx, αy, αz of the acceleration are detected independently and output as electric signals. Eventually, when the vibration of the earthquake stops and the monitor acceleration component αm output from the sub-detecting element 40 falls below the predetermined threshold, the control unit 60 instructs the main power supply unit 20 to stop the power supply. Is given. As a result, the power supply from the main power supply means 20 to each of the main detection elements 11 to 13 stops, and the operation of each of the main detection elements 11 to 13 stops.
【0030】このように、本発明に係る加速度センサで
は、各主検出素子11〜13は、平常時は休眠状態とな
っており、地震の初期振動が検出されてから地震が収ま
るまでの間だけ動作することになる。したがって、平常
時に消費される電力は、副検出素子40の動作に必要な
電力だけであり、図1に示す従来の加速度センサに比べ
て、消費電力が軽減されることになる。具体的には、副
検出素子40として、仮に、各主検出素子11〜13と
同程度の消費電力を要する素子を用いた場合であって
も、図2に示す加速度センサの平常時の消費電力は、図
1に示す加速度センサの平常時の消費電力の1/3に低
減されることになる。As described above, in the acceleration sensor according to the present invention, each of the main detection elements 11 to 13 is normally in a dormant state, and only during the period from when the initial vibration of the earthquake is detected to when the earthquake stops. Will work. Therefore, the power consumed in normal times is only the power required for the operation of the sub-detecting element 40, and the power consumption is reduced as compared with the conventional acceleration sensor shown in FIG. Specifically, even if an element requiring the same power consumption as each of the main detection elements 11 to 13 is used as the sub detection element 40, the power consumption of the acceleration sensor shown in FIG. Is reduced to 1/3 of the normal power consumption of the acceleration sensor shown in FIG.
【0031】モニター加速度成分αmに対するしきい値
は、用途に応じて適当に設定すればよい。微小な振動ま
でも検出できる高感度の測定が必要な場合には、しきい
値を低く設定するようにすればよいし、逆に、高感度の
測定は不要だが消費電力をできるだけ低減させる必要が
ある場合には、しきい値を高く設定すればよい。The threshold value for the monitor acceleration component αm may be set appropriately according to the application. If high-sensitivity measurement that can detect even minute vibrations is required, the threshold value should be set low.On the other hand, high-sensitivity measurement is unnecessary but power consumption must be reduced as much as possible. In some cases, the threshold may be set higher.
【0032】また、副検出素子40による検出対象とな
るモニター用検出軸の向きも、用途に応じて適宜設定す
ればよい。後述する実施例のように、可撓性基板を支持
手段として用い、この可撓性基板の各部の応力もしくは
変位を検出する検出器によって検出素子を構成すると、
1つの検出器によって複数の検出軸に関する加速度の検
出が可能になる。したがって、「縦揺れ成分」と「横揺
れ成分」との双方を検出する必要ある地震計などに利用
するには便利である。たとえば、図3に示すXYZ三次
元座標系において、各主検出素子11〜13による検出
軸方向が、それぞれDx,Dy,Dz(すなわち、X軸
方向,Y軸方向,Z軸方向)であったとしよう。この場
合、図のような2つのモニター用検出軸Dm11,Dm
12に関する加速度をともに検出することができる検出
素子を副検出素子として用いれば、この副検出素子によ
って、「横揺れ成分(モニター用検出軸Dm11の方向
の成分)」と「縦揺れ成分(モニター用検出軸Dm12
の方向の成分)」との双方を検出することが可能にな
る。The direction of the monitor detection axis to be detected by the sub-detection element 40 may be set appropriately according to the application. When a flexible substrate is used as a support means as in an embodiment described later, and a detection element is configured by a detector that detects stress or displacement of each part of the flexible substrate,
One detector can detect accelerations on a plurality of detection axes. Therefore, it is convenient to use it for a seismometer or the like that needs to detect both the “pitch component” and the “roll component”. For example, in the XYZ three-dimensional coordinate system shown in FIG. 3, the detection axis directions of the main detection elements 11 to 13 are Dx, Dy, and Dz (that is, the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction). Try. In this case, two monitor detection axes Dm11 and Dm as shown in FIG.
If a detection element capable of detecting both accelerations related to the acceleration signal 12 is used as a sub-detection element, the sub-detection element causes a “rolling component (a component in the direction of the detection axis Dm11 for monitoring)” and a “pitch component (monitoring for the monitor). Detection axis Dm12
In the direction of the direction)).
【0033】もっとも、この場合、2つのモニター用検
出軸Dm11,Dm12の双方に直交する方向について
の「横揺れ成分」は検出することができない。三次元空
間内のどのような方向の揺れについても、副検出素子に
よって検出する必要がある場合には、2組の副検出素子
を設けるようにすればよい。たとえば、第1の副検出素
子41と第2の副検出素子42とを用意し、図3に示す
ように、第1の副検出素子41によって、2つのモニタ
ー用検出軸Dm11,Dm12に関する加速度成分の検
出が可能になり、第2の副検出素子42によって、2つ
のモニター用検出軸Dm21,Dm22に関する加速度
成分の検出が可能になるように、これら2組の副検出素
子を配置すればよい。各モニター用検出軸の向きは、少
なくとも3つの検出軸が互いに平行にならないような関
係になればよい。ただ、最も効率的な検出を行うために
は、3つの検出軸が互いに直交するような関係に設定す
るのが好ましい。図3に示す例では、3つの検出軸Dm
11,Dm12,Dm21が互いに直交しており、この
ような2組の副検出素子41,42を用いれば、互いに
直交する3つの方向(図3に示す検出軸Dm11,Dm
12,Dm21)に沿ったすべての加速度成分をモニタ
ーすることができる。However, in this case, it is not possible to detect a "rolling component" in a direction orthogonal to both of the two monitor detection axes Dm11 and Dm12. If it is necessary to detect the swing in any direction in the three-dimensional space by using the sub-detection elements, two sets of sub-detection elements may be provided. For example, a first sub-detecting element 41 and a second sub-detecting element 42 are prepared, and as shown in FIG. 3, the first sub-detecting element 41 causes acceleration components with respect to two monitoring detection axes Dm11 and Dm12. Can be detected, and the two sub-detection elements can be arranged so that the second sub-detection element 42 can detect the acceleration components for the two monitoring detection axes Dm21 and Dm22. The directions of the detection axes for monitoring need only be such that at least three detection axes are not parallel to each other. However, in order to perform the most efficient detection, it is preferable to set the relation such that the three detection axes are orthogonal to each other. In the example shown in FIG. 3, three detection axes Dm
11, Dm12 and Dm21 are orthogonal to each other, and if such two sets of sub-detecting elements 41 and 42 are used, three directions orthogonal to each other (detection axes Dm11 and Dm shown in FIG. 3).
12, Dm21) can be monitored.
【0034】図4は、上述した2組の副検出素子41,
42を用いた加速度センサの基本構成を示すブロック図
である。図2に示す加速度センサとの相違点は、副検出
素子40の代わりに2組の副検出素子41,42を用い
た点である。第1の副検出素子41からは、モニター加
速度成分αm1(図3に示すモニター用検出軸Dm11
またはDm12に沿った加速度方向成分)が出力され、
第2の副検出素子42からは、モニター加速度成分αm
2(図3に示すモニター用検出軸Dm21またはDm2
2に沿った加速度方向成分)が出力される。制御手段6
0は、モニター加速度成分αm1またはαm2のいずれ
か一方が所定のしきい値以上になったときに、主電力供
給手段20に対して電力供給を開始する旨の指示を与え
る。なお、モニター加速度成分αm1とαm2とで、そ
れぞれ異なるしきい値を設定してもよい。FIG. 4 shows the two sets of sub-detecting elements 41,
It is a block diagram which shows the basic structure of the acceleration sensor using 42. The difference from the acceleration sensor shown in FIG. 2 is that two sets of sub-detecting elements 41 and 42 are used instead of the sub-detecting element 40. The monitor acceleration component αm1 (the monitor detection axis Dm11 shown in FIG.
Or an acceleration direction component along Dm12) is output,
From the second sub-detecting element 42, the monitor acceleration component αm
2 (monitoring detection axis Dm21 or Dm2 shown in FIG. 3)
2) are output. Control means 6
0 gives an instruction to the main power supply means 20 to start power supply when one of the monitor acceleration components αm1 and αm2 becomes equal to or greater than a predetermined threshold value. Note that different threshold values may be set for the monitor acceleration components αm1 and αm2.
【0035】本発明を実施する上では、複数の主検出素
子のうちの一部を副検出素子として兼用し、主電力供給
手段の一部を副電力供給手段として兼用することも可能
である。図5は、このような兼用を行った実施形態の基
本構成を示すブロック図である。この例では、3つの主
検出素子のうち、X軸方向主検出素子11の一部を第1
の副検出素子として兼用し、Y軸方向主検出素子12の
一部を第2の副検出素子として兼用するようにしてい
る。また、主電力供給手段25の一部が副電力供給手段
55として兼用されている。In practicing the present invention, it is also possible to use a part of the plurality of main detection elements as a sub-detection element and also use a part of the main power supply means as a sub-power supply means. FIG. 5 is a block diagram showing a basic configuration of an embodiment in which such dual use is performed. In this example, of the three main detection elements, a part of the X-axis
, And a part of the Y-axis direction main detecting element 12 is also used as a second sub-detecting element. Further, a part of the main power supply unit 25 is also used as the sub power supply unit 55.
【0036】平常時、制御手段60は、主電力供給手段
25内の一部を構成する副電力供給手段55に対して、
X軸方向主検出素子11の一部を構成する第1の副検出
素子への電力供給と、Y軸方向主検出素子12の一部を
構成する第2の副検出素子への電力供給とを指示する。
この動作モードでは、X軸方向主検出素子11およびY
軸方向主検出素子12は、その一部分のみしか動作して
おらず、また、Z軸方向主検出素子13には電力供給は
行われていないため、本来の動作に比べると消費電力は
少なくてすむ。すなわち、X軸方向主検出素子11は、
本来、X軸方向の加速度成分αxの正確な値を検出する
機能を有し、Y軸方向主検出素子12は、本来、Y軸方
向の加速度成分αyの正確な値を検出する機能を有する
が、この平常時の動作モードでは、このような正確な値
を検出する必要はないため、その一部分のみを動作させ
れば足りる。こうして、この平常時の動作モードでは、
第1の副検出素子(X軸方向主検出素子11の一部)か
らはモニター加速度成分αm1が出力され、第2の副検
出素子(Y軸方向主検出素子12の一部)からはモニタ
ー加速度成分αm2が出力されることになる。In normal times, the control means 60 controls the sub-power supply means 55 which is a part of the main power supply
The power supply to the first sub-detection element forming part of the X-axis direction main detection element 11 and the power supply to the second sub-detection element forming part of the Y-axis direction main detection element 12 To instruct.
In this operation mode, the X-axis direction main detection element 11 and Y
The axial main detecting element 12 operates only in a part thereof, and power is not supplied to the Z-axis main detecting element 13, so that power consumption is smaller than in the original operation. . That is, the X-axis direction main detection element 11
Originally, it has a function of detecting an accurate value of the acceleration component αx in the X-axis direction, and the Y-axis direction main detection element 12 originally has a function of detecting an accurate value of the acceleration component αy in the Y-axis direction. In this normal operation mode, it is not necessary to detect such an accurate value, and it is sufficient to operate only a part of the value. Thus, in this normal operation mode,
The monitor acceleration component αm1 is output from the first sub-detection element (part of the X-axis main detection element 11), and the monitor acceleration component αm1 is output from the second sub-detection element (part of the Y-axis main detection element 12). The component αm2 will be output.
【0037】制御手段60は、このモニター加速度成分
αm1,αm2のいずれかが、所定のしきい値(同一の
しきい値でもよいし、それぞれ別個のしきい値でもよ
い)以上になった場合、主電力供給手段25に対して電
力供給を行うよう指示を与える。これにより、各主検出
素子11〜13には本来の動作を行うための電力供給が
行われ、作用している加速度の各軸方向成分の正確な検
出値αx,αy,αzが出力されることになる。このと
き、モニター加速度成分αm1,αm2も引き続き出力
され、これら双方の値がともに所定のしきい値未満にな
ったら、制御手段60から主電力供給手段25に対し
て、電力供給を停止するよう指示が出される。以後、副
電力供給手段55からの電力供給だけ引き続き継続さ
れ、平常時の動作モードに復帰することになる。When any of the monitor acceleration components αm1 and αm2 exceeds a predetermined threshold value (either the same threshold value or different threshold values), The main power supply means 25 is instructed to supply power. As a result, power is supplied to each of the main detection elements 11 to 13 for performing an original operation, and accurate detection values αx, αy, and αz of each axial component of the acting acceleration are output. become. At this time, the monitor acceleration components αm1 and αm2 are also continuously output. When both of these values are less than the predetermined threshold, the control unit 60 instructs the main power supply unit 25 to stop the power supply. Is issued. Thereafter, only the power supply from the sub power supply means 55 is continued, and the operation mode returns to the normal operation mode.
【0038】このように主電力供給手段と副電力供給手
段とを一部兼用し、主検出素子と副検出素子とを一部兼
用すれば、全体的な構成はより単純化される。このよう
な兼用を行った具体的な実施例については後述する。As described above, when the main power supply means and the sub power supply means are partially used, and the main detection element and the sub detection element are partially used, the overall structure is further simplified. A specific embodiment in which such dual use is performed will be described later.
【0039】なお、主電力供給手段からの電力供給が開
始した時点で、副電力供給手段からの電力供給を一時休
止させるようにしてもよい。この場合、主検出素子を一
時的に副検出素子として利用し、主検出素子の出力する
信号が所定のしきい値未満になったら、主電力供給手段
の電力供給を停止させ、副電力供給手段からの電力供給
を再開すればよい。The power supply from the sub power supply means may be temporarily stopped when the power supply from the main power supply means starts. In this case, the main detection element is temporarily used as a sub-detection element, and when the signal output from the main detection element falls below a predetermined threshold, the power supply of the main power supply means is stopped, and The power supply from can be resumed.
【0040】続いて、平常時における消費電力を更に低
減させるための付加的なアプローチを述べておく。この
方法は、検出対象となる加速度の主たる周波数成分が、
一定の周波数以下の成分しか含まないような場合に有効
であり、特に地震に基づく加速度検出には非常に効果的
である。一般に、地震の揺れを構成する周波数成分のう
ち、ある程度の大きさの振幅をもった主たる周波数成分
の最大値はたかだか10Hz程度であることが知られて
いる。したがって、本発明に係る加速度センサにおい
て、平常時の動作モードで地震の揺れをモニターする場
合、揺れを常時モニターし続ける必要はない。たとえ
ば、上述した地震の揺れの最大周波数10Hzに対し
て、十分に余裕をもって、50Hz程度のサンプリング
周波数を定め、このサンプリング周波数で周期的にモニ
ターを行えばよい。別言すれば、本発明に係る加速度セ
ンサを地震計として利用する場合、副検出素子による平
常時の検出動作は、50Hzのサンプリング周波数、す
なわち、20msの周期で実行すれば足りる。Subsequently, an additional approach for further reducing the power consumption in normal times will be described. In this method, the main frequency component of the acceleration to be detected is
This is effective when only components below a certain frequency are included, and is very effective especially for acceleration detection based on an earthquake. In general, it is known that the maximum value of a main frequency component having a certain magnitude of amplitude among frequency components constituting an earthquake tremor is at most about 10 Hz. Therefore, in the acceleration sensor according to the present invention, when monitoring the shaking of the earthquake in the normal operation mode, it is not necessary to continuously monitor the shaking. For example, a sampling frequency of about 50 Hz may be determined with a sufficient margin for the above-mentioned maximum frequency of the earthquake shaking of 10 Hz, and monitoring may be performed periodically at this sampling frequency. In other words, when the acceleration sensor according to the present invention is used as a seismometer, it is sufficient that the sub-detection element performs the normal detection operation at a sampling frequency of 50 Hz, that is, a cycle of 20 ms.
【0041】結局、地震計に限らず、一定の周波数以下
の成分しか含まないような加速度成分を測定する場合、
副電力供給手段50,55から副検出素子40,41,
42に対する電力供給は、図6に示すように、給電状態
と非給電状態とを交互に繰り返すパルス信号を用いて断
続的に行えば十分である。特に、地震計として利用する
場合、パルス信号の周期Lを20ms(サンプリング周
波数50Hz)程度に設定すれば十分である。また、パ
ルス信号のパルス幅Wとしては、瞬時における加速度検
出を行うのに十分な時間が確保できればよく、たとえ
ば、後述する種々の実施例の場合、回路の立上がり時間
を1ms程度とすれば、パルス幅Wを2ms程度に設定
すれば十分である。仮に、パルス信号の周期Lを20m
s,パルス幅Wを2msに設定すれば、給電を行ってい
る時間を全体の1/10に短縮することができ、消費電
力もほぼ1/10に抑制させることができる。したがっ
て、上述した本発明に係る加速度センサにおいて、副電
力供給手段による電力供給を、所定のサンプリング周期
をもったパルス信号を用いて断続的に行うようにすれ
ば、従来の加速度センサに比べて消費電力を格段に低減
させることが可能になる。After all, when measuring not only seismometers but also acceleration components that include only components below a certain frequency,
From the sub power supply means 50, 55, the sub detection elements 40, 41,
As shown in FIG. 6, it is sufficient for the power supply to the power supply 42 to be performed intermittently by using a pulse signal that alternately repeats a power supply state and a non-power supply state. In particular, when used as a seismograph, it is sufficient to set the cycle L of the pulse signal to about 20 ms (sampling frequency 50 Hz). Further, the pulse width W of the pulse signal may be any time that can secure a sufficient time for detecting acceleration at an instant. For example, in various embodiments described later, if the rise time of the circuit is about 1 ms, It is sufficient to set the width W to about 2 ms. If the pulse signal period L is 20 m
If s and the pulse width W are set to 2 ms, the power supply time can be reduced to 1/10 of the whole, and the power consumption can be suppressed to almost 1/10. Therefore, in the above-described acceleration sensor according to the present invention, if the power supply by the sub-power supply unit is performed intermittently using the pulse signal having the predetermined sampling cycle, the power consumption can be reduced as compared with the conventional acceleration sensor. The power can be significantly reduced.
【0042】[0042]
【実施例】§1. 圧電素子を用いた基本的な実施例 ここでは、各検出素子として圧電素子を用いた基本的な
実施例を述べる。すなわち、この実施例では、加速度の
作用により応力が加わるように構成された圧電素子から
なる可撓性基板を支持手段として用い、この圧電素子の
所定部分に発生する電荷を検出する電極と、この電極で
検出された電荷量を電気信号として出力する電子回路
と、によって各検出素子が構成されることになる。[Example] §1. Basic Embodiment Using Piezoelectric Element Here, a basic embodiment using a piezoelectric element as each detecting element will be described. That is, in this embodiment, a flexible substrate made of a piezoelectric element configured to apply stress by the action of acceleration is used as a support means, and an electrode for detecting electric charges generated in a predetermined portion of the piezoelectric element, Each detection element is constituted by an electronic circuit that outputs the amount of charge detected by the electrode as an electric signal.
【0043】以下、圧電素子を用いた加速度センサの実
施例の基本構造を図を参照しながら説明する。図7は、
この実施例に係る加速度センサの本体部を斜め上方から
見た斜視図、図8は、このセンサ本体部を斜め下方から
見た斜視図である。この加速度センサ本体部は、円盤状
の圧電素子110の上面に9枚の上部電極A1〜A9を
形成するとともに、下面に1枚の下部電極Bを形成した
ものである。ここでは説明の便宜上、XYZ三次元座標
系の原点Oを、円盤状の圧電素子110の上面の中心位
置に定義し、X軸およびY軸をこの圧電素子110の上
面に沿った方向に定義し、Z軸をこの上面に対して垂直
上方に向かう方向に定義することにする。したがって、
この圧電素子110の上面は、XY平面に含まれること
になる。なお、ここでは、X軸およびY軸に対して45
°の角度をなすW1軸およびW2軸を図9のように定義
することにする。Hereinafter, the basic structure of an embodiment of an acceleration sensor using a piezoelectric element will be described with reference to the drawings. FIG.
FIG. 8 is a perspective view of the main body of the acceleration sensor according to this embodiment as viewed obliquely from above, and FIG. 8 is a perspective view of the main body of the acceleration sensor viewed from obliquely below. This acceleration sensor main body has nine upper electrodes A1 to A9 formed on the upper surface of a disc-shaped piezoelectric element 110 and one lower electrode B formed on the lower surface. Here, for convenience of explanation, the origin O of the XYZ three-dimensional coordinate system is defined at the center position of the upper surface of the disk-shaped piezoelectric element 110, and the X axis and the Y axis are defined in directions along the upper surface of the piezoelectric element 110. , Z-axis is defined as a direction going upward and perpendicular to the upper surface. Therefore,
The upper surface of the piezoelectric element 110 is included in the XY plane. It should be noted that, here, 45
The W1 axis and W2 axis forming an angle of ° are defined as shown in FIG.
【0044】圧電素子110の構造的な特徴は、図8に
示されているように、下面に環状溝115が形成されて
いる点である。この実施例では、環状溝115は原点O
を取り囲むような円形をしている。下部電極Bは、1枚
の単一の電極層であり、この環状溝115の内部をも含
めた圧電素子110の下面全面に形成されている。一
方、9枚の上部電極A1〜A9は、図9の上面図に明瞭
に示されているように、いずれも原点Oを中心とした円
弧に沿った帯状をしており、X軸、Y軸あるいはW2軸
に関して線対称な形状および配置をなしている。A structural feature of the piezoelectric element 110 is that an annular groove 115 is formed on the lower surface as shown in FIG. In this embodiment, the annular groove 115 has the origin O
It has a circular shape that surrounds. The lower electrode B is a single electrode layer, and is formed on the entire lower surface of the piezoelectric element 110 including the inside of the annular groove 115. On the other hand, the nine upper electrodes A1 to A9 all have a band shape along an arc centered on the origin O, as clearly shown in the top view of FIG. Alternatively, the shape and the arrangement are line-symmetric with respect to the W2 axis.
【0045】この加速度センサ本体部の構造は、図10
を参照すると、より明らかになる。図10は、この加速
度センサ本体部をXZ平面で切った側断面図である。圧
電素子110の環状溝115が形成された部分は、他の
部分に比べて肉厚が薄くなっており、可撓性を有する。
ここでは、圧電素子110の中の環状溝115の上方に
位置する部分を可撓部112と呼び、この可撓部112
によって囲まれた中心の部分を中心部111と呼び、可
撓部112の外周に位置する部分を周囲部113と呼ぶ
ことにする。これら3つの部分の相対的な位置関係は、
図11の下面図に明瞭に示されている。すなわち、中心
部111の周囲の環状溝115が形成された部分に可撓
部112が形成され、この可撓部112の周囲に周囲部
113が形成されていることになる。The structure of the acceleration sensor body is shown in FIG.
See more clearly. FIG. 10 is a side sectional view of the acceleration sensor main body cut along the XZ plane. The portion of the piezoelectric element 110 where the annular groove 115 is formed is thinner than other portions and has flexibility.
Here, a portion of the piezoelectric element 110 located above the annular groove 115 is referred to as a flexible portion 112, and the flexible portion 112
The central portion surrounded by is referred to as a central portion 111, and the portion located on the outer periphery of the flexible portion 112 is referred to as a peripheral portion 113. The relative position of these three parts is
This is clearly shown in the bottom view of FIG. That is, the flexible portion 112 is formed in a portion around the central portion 111 where the annular groove 115 is formed, and the peripheral portion 113 is formed around the flexible portion 112.
【0046】ここで、たとえば中心部111だけをセン
サ筐体に固定し、センサ筐体全体を揺らすと、周囲部1
13が重錘体として機能することになり、この重錘体に
は加速度に基づく力が作用し、この力により可撓部11
2に撓みが生じることになる。逆に、周囲部113だけ
をセンサ筐体に固定し、センサ筐体全体を揺らすと、中
心部111が重錘体として機能することになる。すなわ
ち、中心部111には加速度に基づく力が作用し、この
力によりやはり可撓部112に撓みが生じることにな
る。結局、中心部111と周囲部113とは、可撓性を
もった可撓部112によって接合されているため、いず
れか一方に加速度が作用すると、可撓部112に応力が
発生し、撓みが生じることになる。応力の発生態様は、
作用した加速度の向きおよび大きさによって異なること
になる。この加速度センサでは、この応力の分布を求め
ることにより、作用した加速度の向きおよび大きさを検
出するのである。Here, for example, when only the central portion 111 is fixed to the sensor housing and the entire sensor housing is shaken, the peripheral portion 1
13 functions as a weight body, and a force based on acceleration acts on this weight body, and this force causes the flexible portion 11 to function.
2 will bend. Conversely, when only the peripheral portion 113 is fixed to the sensor housing and the entire sensor housing is shaken, the central portion 111 functions as a weight body. That is, a force based on the acceleration acts on the central portion 111, and this force also causes the flexible portion 112 to bend. After all, since the central portion 111 and the peripheral portion 113 are joined by the flexible portion 112 having flexibility, when acceleration is applied to one of them, a stress is generated in the flexible portion 112 and the bending is reduced. Will happen. The generation mode of the stress is as follows.
It depends on the direction and magnitude of the applied acceleration. The acceleration sensor detects the distribution of the stress to detect the direction and magnitude of the applied acceleration.
【0047】可撓部112に生じる応力を検出するため
に、可撓部112の上部に9枚の上部電極A1〜A9が
配置されている。この上部電極A1〜A9の配置は、図
9の上面図に明瞭に示されているが、図10の側断面図
を見ればわかるように、9枚の上部電極A1〜A9は、
いずれも可撓部112の上方に配置されている。これ
は、可撓部112の撓みによって圧電素子の各部に発生
する電荷を取り出すためである。In order to detect the stress generated in the flexible portion 112, nine upper electrodes A1 to A9 are arranged above the flexible portion 112. The arrangement of the upper electrodes A1 to A9 is clearly shown in the top view of FIG. 9, but as can be seen from the side sectional view of FIG.
Both are arranged above the flexible part 112. This is for extracting electric charges generated in each part of the piezoelectric element due to the bending of the flexible part 112.
【0048】一般に、圧電素子は、機械的な応力の作用
により分極現象を生じる。すなわち、ある特定の方向に
応力が加わると、一方には正の電荷が発生し、他方には
負の電荷が発生する性質を有する。この実施例の加速度
センサ本体部には、圧電素子110として、図12に示
すような分極特性をもった圧電セラミックスが用いられ
ている。すなわち、図12(a) に示すように、XY平面
に沿って伸びる方向の力が作用した場合には、上部電極
A側に正の電荷が、下部電極B側に負の電荷が、それぞ
れ発生し、逆に、図12(b) に示すように、XY平面に
沿って縮む方向の力が作用した場合には、上部電極A側
に負の電荷が、下部電極B側に正の電荷が、それぞれ発
生するような分極特性をもっている。ここでは、このよ
うな分極特性をタイプと呼ぶことにする。ここで述べ
る実施例の加速度センサでは、圧電素子110はどの部
分においても、このタイプの分極特性をもつ。In general, a piezoelectric element causes a polarization phenomenon by the action of mechanical stress. That is, when a stress is applied in a specific direction, one side generates a positive charge and the other side generates a negative charge. In the acceleration sensor main body of this embodiment, a piezoelectric ceramic having polarization characteristics as shown in FIG. That is, as shown in FIG. 12A, when a force extending in the direction extending along the XY plane acts, a positive charge is generated on the upper electrode A side, and a negative charge is generated on the lower electrode B side. Conversely, as shown in FIG. 12B, when a force in the direction of contraction along the XY plane acts, a negative charge is applied to the upper electrode A and a positive charge is applied to the lower electrode B. , Have polarization characteristics as they occur. Here, such a polarization characteristic is referred to as a type. In the acceleration sensor of the embodiment described here, the piezoelectric element 110 has this type of polarization characteristic in any part.
【0049】続いて、上述した加速度センサの動作原理
を説明する。この加速度センサは、圧電素子110上面
の中心位置を原点OとするXYZ三次元座標系における
各軸方向成分ごとに、作用した加速度を検出することが
できる三次元加速度センサである。このような三次元セ
ンサとして機能させるために、特有の配置をもった9枚
の上部電極A1〜A9が用意されている。なお、後述す
るように、この9枚の電極のうち、電極A1〜A8は主
検出素子として機能し、電極A9は副検出素子のモニタ
用電極として機能することになる。Next, the operation principle of the above-described acceleration sensor will be described. This acceleration sensor is a three-dimensional acceleration sensor capable of detecting an applied acceleration for each axial component in an XYZ three-dimensional coordinate system whose origin is the center position of the upper surface of the piezoelectric element 110. In order to function as such a three-dimensional sensor, nine upper electrodes A1 to A9 having a specific arrangement are prepared. As will be described later, of the nine electrodes, the electrodes A1 to A8 function as main detection elements, and the electrode A9 functions as a monitoring electrode of the sub-detection element.
【0050】ここでは、まず、図9の上面図を参照し
て、9枚の上部電極A1〜A9についての特有の配置を
見てみよう。まず、上部電極A1,A3,A7,A2,
A4,A6は、円形の環状帯(以下、内側環状領域と呼
ぶ)に沿って配置されており、その外側の円形の環状帯
(以下、外側環状領域と呼ぶ)に沿って、上部電極A
5,A8,A9が配置されている。このように、原点O
を取り囲むように定義された内側環状領域および外側環
状領域に沿って、各上部電極を配置することにより、非
常に効率的な検出が可能になる。特に、外側環状領域に
配置された各上部電極の外周部分を、可撓部112の外
周部分(すなわち、環状溝115の外壁部分)に揃える
ようにし、内側環状領域に配置された各上部電極の内周
部分を、可撓部112の内周部分(すなわち、環状溝1
15の内壁部分)に揃えるようにすると、感度良い検出
を行う上で好ましい。Here, first, referring to the top view of FIG. 9, let's look at the specific arrangement of the nine upper electrodes A1 to A9. First, the upper electrodes A1, A3, A7, A2
A4 and A6 are arranged along a circular annular band (hereinafter, referred to as an inner annular region), and are arranged along an outer circular annular band (hereinafter, referred to as an outer annular region) along the upper electrode A.
5, A8 and A9 are arranged. Thus, the origin O
Arranging each upper electrode along the inner and outer annular regions defined to enclose a very efficient detection is possible. In particular, the outer peripheral portion of each upper electrode arranged in the outer annular region is aligned with the outer peripheral portion of the flexible portion 112 (that is, the outer wall portion of the annular groove 115), and the upper electrode of each upper electrode arranged in the inner annular region is arranged. The inner peripheral portion is connected to the inner peripheral portion of the flexible portion 112 (ie, the annular groove 1).
(15 inner wall portions) is preferable in order to perform sensitive detection.
【0051】さて、この加速度センサ本体部について、
周囲部113をセンサ筐体に固定した状態で、重錘体と
して機能する中心部111内の作用点Pに所定方向の加
速度に基づく力が作用した場合に、どのような現象が起
こるかを考える。まず、図13に示すように、作用点P
に対してX軸方向の力Fx(X軸方向の加速度に基づく
力)が作用した場合を考える。このような力Fxが作用
すると、可撓部112に撓みが生じ、図13に示すよう
な変形が起こる。その結果、この圧電素子110の上面
のX軸に沿った位置X1,X2,X3,X4には、図に
矢印で示すような応力が発生することになる。すなわ
ち、位置X1,X3の部分については、X軸方向に沿っ
て縮む応力が発生し、位置X2,X4の部分について
は、X軸方向に沿って伸びる応力が発生する。Now, regarding the main body of the acceleration sensor,
Consider what kind of phenomenon will occur when a force based on acceleration in a predetermined direction acts on the action point P in the central part 111 functioning as a weight body with the peripheral part 113 fixed to the sensor housing. . First, as shown in FIG.
Consider a case in which a force Fx in the X-axis direction (force based on acceleration in the X-axis direction) acts on. When such a force Fx acts, the flexible portion 112 bends, and a deformation as shown in FIG. 13 occurs. As a result, stress is generated at positions X1, X2, X3, and X4 on the upper surface of the piezoelectric element 110 along the X axis, as indicated by arrows in the figure. That is, a stress that shrinks along the X-axis direction is generated at the positions X1 and X3, and a stress that extends along the X-axis direction is generated at the positions X2 and X4.
【0052】ところで、この圧電素子110は、図12
に示すように、タイプの分極特性を有するので、結
局、圧電素子110の位置X1,X3の上面部分には
「−」の極性の電荷が発生し、位置X2,X4の上面部
分には「+」の極性の電荷が発生することになる。この
とき、下部電極Bは単一の共通電極となっているので、
部分的に「+」または「−」の極性の電荷が発生しても
相殺され、トータルでの電荷の発生はない。なお、この
実施例では、下部電極Bを単一の共通電極としている
が、各上部電極に対向する位置に、それぞれ電気的に独
立した個々の下部電極を設けるようにすれば、各電極に
発生する電荷を個々に処理することが可能である。Incidentally, this piezoelectric element 110 is the same as that shown in FIG.
As shown in the figure, since it has a type of polarization characteristic, a charge having a polarity of “−” is generated on the upper surface of the positions X1 and X3 of the piezoelectric element 110, and “+” is generated on the upper surface of the positions X2 and X4. ”Will be generated. At this time, since the lower electrode B is a single common electrode,
Even if charges having a polarity of "+" or "-" are partially generated, they are canceled out, and no charge is generated in total. In this embodiment, the lower electrode B is a single common electrode. However, if an electrically independent individual lower electrode is provided at a position opposed to each upper electrode, the lower electrode B is generated at each electrode. It is possible to process the individual charges individually.
【0053】一方、作用点Pに対してY軸方向の力Fy
が作用した場合には、可撓部112に同様に撓みが生
じ、Y軸に沿った各位置の上面部分に同様の極性の電荷
が発生する(図13において、X軸をY軸に置き換え、
位置X1,X2,X3,X4を、位置Y1,Y2,Y
3,Y4と置き換えればよい)。On the other hand, a force Fy in the Y-axis direction with respect to the point of action P
Acts, the flexible portion 112 is similarly bent, and charges of the same polarity are generated on the upper surface portion at each position along the Y axis (in FIG. 13, the X axis is replaced with the Y axis,
Positions X1, X2, X3, X4 are converted to positions Y1, Y2, Y
3, Y4).
【0054】次に、Z軸方向の力Fz(Z軸方向の加速
度に基づく力)が作用した場合を考える。この場合は、
可撓部112が図14に示すように変形し、外側環状領
域に相当する位置X1,X4の部分は縮むために上面部
分に「−」の電荷が発生し、内側環状領域に相当する位
置X2,X3の部分は伸びるために上面部分に「+」の
電荷が発生することになる。Next, a case is considered where a force Fz in the Z-axis direction (force based on acceleration in the Z-axis direction) acts. in this case,
The flexible portion 112 is deformed as shown in FIG. 14, and the portions at positions X1 and X4 corresponding to the outer annular region are contracted, so that “−” charges are generated on the upper surface portion, and the position X2 corresponding to the inner annular region is generated. , X3 are extended, so that "+" charges are generated on the upper surface.
【0055】ここで、力Fx,Fy,Fzのそれぞれが
作用した場合に、各上部電極に発生する電荷の極性をま
とめると、図15に示す表が得られる。表中「0」と記
されているのは、圧電素子が部分的には伸びるが部分的
には縮むため、正負が相殺されてトータルとして電荷は
発生しないことを示す。特に、上部電極A1〜A4は、
X軸またはY軸に関して線対称な形状をしており、互い
に線対称な位置に配置されているため、力Fxの作用に
より電荷を発生する上部電極A1,A2には、力Fyが
作用しても電荷は発生せず、逆に、力Fyの作用により
電荷を発生する上部電極A3,A4には、力Fxが作用
しても電荷は発生しないのである。このように、他軸干
渉を避ける上では、電極形状を線対称にしておくことは
重要である。なお、図15の表は、いずれも各軸の正方
向の力+Fx,+Fy,+Fzが作用した場合の極性を
示すものであるが、各軸の負方向の力−Fx,−Fy,
−Fzが作用したときは、それぞれこの表とは逆の極性
の電荷が現われることになる。このような表が得られる
ことは、図13および図14に矢印で示す応力分布と、
図9に示す各上部電極の配置とを参照すれば、容易に理
解できよう。また、作用した力の大きさは、発生した電
荷量として検出することが可能である。Here, a table shown in FIG. 15 is obtained by summarizing the polarities of the electric charges generated in each upper electrode when each of the forces Fx, Fy, Fz acts. In the table, "0" indicates that the piezoelectric element partially expands but partially contracts, so that positive and negative are canceled out and no charge is generated as a whole. In particular, the upper electrodes A1 to A4
It has a shape symmetrical with respect to the X axis or the Y axis and is arranged at a position symmetrical with respect to each other. Therefore, the force Fy acts on the upper electrodes A1 and A2 that generate electric charges by the action of the force Fx. No electric charge is generated, and conversely, no electric charge is generated on the upper electrodes A3, A4, which generate electric charge by the action of the force Fy, even when the force Fx is applied. As described above, it is important to keep the electrode shape line-symmetric in order to avoid other-axis interference. The table in FIG. 15 shows the polarity when the positive force + Fx, + Fy, + Fz of each axis acts, but the negative force −Fx, −Fy, −Fx, of each axis.
When -Fz is applied, charges having polarities opposite to those in the table appear. Obtaining such a table is based on the stress distribution indicated by the arrows in FIGS.
It can be easily understood by referring to the arrangement of each upper electrode shown in FIG. The magnitude of the applied force can be detected as the amount of generated electric charge.
【0056】上述した加速度センサ本体部を用いて、作
用した加速度の検出を行うためには、図16に示すよう
な検出回路を用意すればよい。この検出回路は、主検出
素子群130と、副検出素子150とによって構成され
ている。主検出素子群130は、図2に示すブロック図
における各主検出素子11〜13に対応するものであ
り、副検出素子150は同ブロック図における副検出素
子40に対応するものである。図16に示す回路図の左
側に示されているA1〜A9およびBなる回路構成要素
は、上述の加速度センサ本体部の上部電極A1〜A9お
よび下部電極Bを示すものであり、これらの電極に接続
されたQ/V変換回路131〜138,151は、各上
部電極A1〜A9に発生する電荷量を、下部電極Bの電
位を基準電位としたときの電圧値に変換する回路であ
る。たとえば、上部電極に「+」の電荷が発生した場合
には、発生した電荷量に応じた正の電圧(基準電位に対
して)が出力され、逆に、上部電極に「−」の電荷が発
生した場合には、発生した電荷量に応じた負の電圧(基
準電位に対して)が出力される。演算器141〜143
は、こうして出力された電圧V1〜V8に対して所定の
演算処理を実施する回路であり、最終的には、端子T
x,Ty,Tz,Tmにそれぞれ所定の電圧が出力され
ることになる。ここで、端子Txの基準電位に対する電
圧値が力Fxの検出値となり、端子Tyの基準電位に対
する電圧値が力Fyの検出値となり、端子Tzの基準電
位に対する電圧値が力Fzの検出値となる。In order to detect the applied acceleration using the above-described acceleration sensor main body, a detection circuit as shown in FIG. 16 may be prepared. This detection circuit includes a main detection element group 130 and a sub detection element 150. The main detection element group 130 corresponds to each of the main detection elements 11 to 13 in the block diagram shown in FIG. 2, and the sub detection element 150 corresponds to the sub detection element 40 in the block diagram. Circuit components A1 to A9 and B shown on the left side of the circuit diagram shown in FIG. 16 indicate the upper electrodes A1 to A9 and the lower electrode B of the acceleration sensor main body described above. The connected Q / V conversion circuits 131 to 138 and 151 are circuits that convert the amount of charge generated in each of the upper electrodes A1 to A9 into a voltage value when the potential of the lower electrode B is set as a reference potential. For example, when a “+” charge is generated on the upper electrode, a positive voltage (relative to the reference potential) corresponding to the generated charge is output, and conversely, a “−” charge is generated on the upper electrode. When the voltage is generated, a negative voltage (relative to the reference potential) corresponding to the generated charge amount is output. Arithmetic units 141 to 143
Is a circuit for performing predetermined arithmetic processing on the voltages V1 to V8 output in this manner.
A predetermined voltage is output to each of x, Ty, Tz, and Tm. Here, the voltage value of the terminal Tx with respect to the reference potential is the detection value of the force Fx, the voltage value of the terminal Ty with respect to the reference potential is the detection value of the force Fy, and the voltage value of the terminal Tz with respect to the reference potential is the detection value of the force Fz. Become.
【0057】各出力端子Tx,Ty,Tzに得られる電
圧値が、力Fx,Fy,Fzの検出値になることは、図
15の表を参照すればわかる。たとえば、力Fxが作用
した場合、上部電極A1には「+」の電荷が発生し、上
部電極A2には「−」の電荷が発生する。したがって、
V1は正、V2は負の電圧となる。そこで、演算器14
1によって、V1−V2なる演算を行うことにより、電
圧V1,V2の絶対値の和が求まり、これが力Fxの検
出値として端子Txに出力されることになる。同様に、
力Fyが作用した場合は、上部電極A3には「+」の電
荷が発生し、上部電極A4には「−」の電荷が発生す
る。したがって、V3は正、V4は負の電圧となる。そ
こで、演算器142によって、V3−V4なる演算を行
うことにより、電圧V3,V4の絶対値の和が求まり、
これが力Fyの検出値として端子Tyに出力されること
になる。また、力Fzが作用した場合は、上部電極A
6,A7には「+」の電荷が発生し、上部電極A5,A
8には「−」の電荷が発生する。したがって、V6,V
7は正、V5,V8は負の電圧となる。そこで、演算器
143によって、−V5+V6+V7−V8なる演算を
行うことにより、電圧V5〜V8の絶対値の和が求ま
り、これが力Fzの検出値として端子Tzに出力される
ことになる。The fact that the voltage values obtained at the respective output terminals Tx, Ty, Tz become the detected values of the forces Fx, Fy, Fz can be understood by referring to the table of FIG. For example, when the force Fx is applied, a “+” charge is generated on the upper electrode A1, and a “−” charge is generated on the upper electrode A2. Therefore,
V1 is positive and V2 is negative. Therefore, the arithmetic unit 14
By performing the operation of V1−V2 by 1, the sum of the absolute values of the voltages V1 and V2 is obtained, and this is output to the terminal Tx as the detected value of the force Fx. Similarly,
When the force Fy acts, a charge of “+” is generated on the upper electrode A3, and a charge of “−” is generated on the upper electrode A4. Therefore, V3 is positive and V4 is negative. Therefore, the sum of the absolute values of the voltages V3 and V4 is obtained by performing the calculation of V3-V4 by the calculator 142.
This is output to the terminal Ty as a detected value of the force Fy. When the force Fz is applied, the upper electrode A
6, A7 generates a "+" charge, and the upper electrodes A5, A7
8, a "-" charge is generated. Therefore, V6, V
7 is positive, and V5 and V8 are negative voltages. Then, the operation of -V5 + V6 + V7-V8 is performed by the calculator 143, whereby the sum of the absolute values of the voltages V5 to V8 is obtained, and this is output to the terminal Tz as a detected value of the force Fz.
【0058】ここで注目すべき点は、主検出素子群13
0を構成する各出力端子Tx,Ty,Tzに得られる検
出値は、他軸成分を含まないということである。たとえ
ば、図15の表に示されているように、力Fxだけが作
用した場合、力Fy検出用の上部電極A3,A4には電
荷の発生はなく、端子Tyには検出電圧は得られない。
このとき、力Fz検出用の上部電極A5〜A8にはそれ
ぞれ電荷が発生するが、演算器143において全電圧V
5〜V8は互いに加算されるため相殺されてしまい、や
はり端子Tzには検出電圧は得られない。力Fyだけが
作用した場合も同様に、端子Ty以外には検出電圧は得
られない。また、力Fzだけが作用した場合も同様に、
端子Tz以外には検出電圧は得られない。こうして、主
検出素子群130を動作させることにより、XYZの三
軸方向成分が独立して検出できる。It should be noted that the main detecting element group 13
This means that the detected values obtained at the output terminals Tx, Ty, Tz constituting 0 do not include other axis components. For example, as shown in the table of FIG. 15, when only the force Fx acts, no charge is generated on the upper electrodes A3 and A4 for detecting the force Fy, and no detection voltage is obtained at the terminal Ty. .
At this time, electric charges are generated in the upper electrodes A5 to A8 for detecting the force Fz, respectively.
Since 5 to V8 are added to each other, they are canceled out, and no detection voltage is obtained at the terminal Tz. Similarly, when only the force Fy acts, no detection voltage can be obtained except at the terminal Ty. Similarly, when only the force Fz is applied,
No detection voltage can be obtained other than at the terminal Tz. By operating the main detection element group 130 in this manner, the three-axis XYZ components can be detected independently.
【0059】一方、副検出素子150は、非常に単純な
構成からなる。すなわち、上部電極A9に発生した電荷
量がQ/V変換回路151によって電圧値V9に変換さ
れ、この電圧値V9がそのまま端子Tmに出力されるこ
とになる。この端子Tmに得られる電圧値V9は、モニ
ター加速度成分αmを示す電圧値として利用することが
できる。図15の表に示されているように、モニタ用の
上部電極A9には、X軸方向の力Fxが作用した場合
も、Z軸方向の力Fzが作用した場合も、何らかの電荷
が発生する。したがって、端子Tmに得られる電圧値V
9は、X軸およびZ軸をモニター用検出軸としたときの
モニター加速度成分αmを示す電圧値となる。On the other hand, the sub-detecting element 150 has a very simple configuration. That is, the amount of charge generated in the upper electrode A9 is converted into a voltage value V9 by the Q / V conversion circuit 151, and the voltage value V9 is output to the terminal Tm as it is. The voltage value V9 obtained at the terminal Tm can be used as a voltage value indicating the monitor acceleration component αm. As shown in the table of FIG. 15, any charge is generated on the monitor upper electrode A9 regardless of whether a force Fx in the X-axis direction or a force Fz in the Z-axis direction is applied. . Therefore, the voltage value V obtained at the terminal Tm
Reference numeral 9 denotes a voltage value indicating the monitor acceleration component αm when the X axis and the Z axis are used as the monitoring detection axes.
【0060】本発明に係る加速度センサを実現するため
には、図16の回路図に示す構成要素に、更に、主電力
供給手段20、副電力供給手段50、制御手段60を付
加する必要がある(図2のブロック図を参照)。ここ
で、主電力供給手段20は、主検出素子群130を構成
する8個のQ/V変換回路131〜138および3個の
演算器141〜143への電力供給を行うための手段で
あり、副電力供給手段50は、副検出素子150を構成
するQ/V変換回路151への電極供給を行うための手
段であり、制御手段60は、これら各電力供給手段によ
る電力供給動作を制御する手段である。In order to realize the acceleration sensor according to the present invention, it is necessary to add a main power supply means 20, a sub power supply means 50, and a control means 60 to the components shown in the circuit diagram of FIG. (See block diagram in FIG. 2). Here, the main power supply unit 20 is a unit for supplying power to the eight Q / V conversion circuits 131 to 138 and the three arithmetic units 141 to 143 that constitute the main detection element group 130. The sub power supply means 50 is a means for supplying an electrode to the Q / V conversion circuit 151 constituting the sub detection element 150, and the control means 60 is a means for controlling the power supply operation of each of these power supply means. It is.
【0061】これらの各手段を図16に示す回路に付加
すれば、この加速度センサは次のような動作が可能にな
る。まず、この加速度センサの電源スイッチをONにす
ると、副電力供給手段50から副検出素子150への電
力供給が開始される。すなわち、Q/V変換回路151
への電力供給が行われることになり、端子Tmには、モ
ニター加速度成分αmに相当する電圧値V9が得られる
ことになる。制御手段60は、この電圧値V9に基づい
て、主電力供給手段20へ所定の指示を与える。すなわ
ち、電圧値V9が所定のしきい値以上であった場合にの
み、主電力供給手段20に対して電力供給を行うよう指
示する。したがって、電圧値V9がしきい値に到達しな
い限り、主電力供給手段20から主検出素子群130に
対して電力供給が行われることはない。If these means are added to the circuit shown in FIG. 16, this acceleration sensor can operate as follows. First, when the power switch of the acceleration sensor is turned ON, power supply from the sub power supply means 50 to the sub detection element 150 is started. That is, the Q / V conversion circuit 151
Is supplied, and a voltage value V9 corresponding to the monitor acceleration component αm is obtained at the terminal Tm. Control means 60 gives a predetermined instruction to main power supply means 20 based on this voltage value V9. That is, only when the voltage value V9 is equal to or higher than the predetermined threshold value, the main power supply unit 20 is instructed to supply power. Therefore, power is not supplied from main power supply means 20 to main detection element group 130 unless voltage value V9 reaches the threshold value.
【0062】このような構成の加速度センサを地震計と
して利用すれば、消費電力が非常に低い電子式多次元地
震計を実現することができる。すなわち、平常時の動作
モードでは、副検出素子150内のQ/V変換回路15
1に対してのみ電力供給が行われ、主検出素子群130
は休眠状態を維持するため、消費電力は非常に少なくて
すむ。特に、上述したように、所定のサンプリング周期
をもったパルス信号をQ/V変換回路151に与え、端
子Tmにはこのサンプリング周期ごとに電圧値V9を得
るようにすれば、消費電力は更に低減されることにな
る。そして、所定のレベル以上の地震が発生した場合に
は、この地震の振動により、端子Tmに得られる電圧値
V9が所定のしきい値を越えることになるので、主検出
素子群130に対する電力供給が開始される。その結
果、端子Tx,Ty,Tzには、作用した加速度の方向
および大きさが、X軸,Y軸,Z軸の各軸方向成分ごと
に独立して出力されることになる。前述したように、こ
の検出結果は、他軸成分の干渉がない正確な値になる。
やがて、地震の振動が収まると、端子Tmに得られる電
圧値V9がしきい値未満となるため、主検出素子群13
0への電力供給は停止され、副検出素子150のみが動
作する平常時の動作モードに戻ることになる。If the acceleration sensor having such a configuration is used as a seismometer, an electronic multidimensional seismometer with very low power consumption can be realized. That is, in the normal operation mode, the Q / V conversion circuit 15
1 is supplied to only the main detection element group 130.
The power consumption is very low because the sleep state is maintained. In particular, as described above, if a pulse signal having a predetermined sampling cycle is given to the Q / V conversion circuit 151 and the voltage value V9 is obtained at the terminal Tm for each sampling cycle, the power consumption is further reduced. Will be done. When an earthquake of a predetermined level or more occurs, the voltage value V9 obtained at the terminal Tm exceeds a predetermined threshold value due to the vibration of the earthquake. Is started. As a result, the direction and magnitude of the applied acceleration are output to the terminals Tx, Ty, and Tz independently for each of the X-axis, Y-axis, and Z-axis components. As described above, this detection result is an accurate value without interference of other axis components.
Eventually, when the vibration of the earthquake stops, the voltage value V9 obtained at the terminal Tm becomes less than the threshold value.
0 is stopped, and the operation returns to the normal operation mode in which only the sub-detecting element 150 operates.
【0063】なお、図15の表によれば、モニタ用の上
部電極A9には、X軸方向の力FxおよびZ軸方向の力
Fzが作用した場合には所定極性の電荷が発生するが、
Y軸方向の力Fyが作用した場合には電荷の発生はな
い。したがって、理論的には、Y軸方向の加速度成分の
みからなる地震の揺れや、X軸方向およびZ軸方向の加
速度成分が極めて小さい地震の揺れが生じた場合、副検
出素子150によってこの揺れを検出することはできな
い。このような問題に対処するためには、図3および図
4を用いて既に説明したように、副検出素子をもう1組
設けるようにすればよい。このように副検出素子を2組
設けた具体的な実施例については、後の§2で説明す
る。なお、通常の地震は、「縦揺れ」と「横揺れ」との
双方の振動成分を含んでいるのが一般的であり、上述し
た実施例のように、1組の副検出素子のみを用いた加速
度センサであっても、実用上は大きな問題は生じない。According to the table of FIG. 15, when a force Fx in the X-axis direction and a force Fz in the Z-axis direction act on the upper electrode A9 for monitoring, a charge of a predetermined polarity is generated.
When a force Fy in the Y-axis direction acts, no charge is generated. Therefore, theoretically, when a shaking of an earthquake consisting only of the acceleration component in the Y-axis direction or a shaking of an earthquake having extremely small acceleration components in the X-axis direction and the Z-axis direction occurs, the shaking is detected by the sub-detecting element 150. It cannot be detected. In order to cope with such a problem, as described above with reference to FIGS. 3 and 4, another set of sub-detecting elements may be provided. A specific embodiment in which two sets of the sub-detecting elements are provided will be described later in §2. It is to be noted that a normal earthquake generally includes both vibration components of "pitch" and "roll", and as in the above-described embodiment, only one set of sub-detection elements is used. Even if the acceleration sensor is used, no serious problem occurs in practical use.
【0064】§2. 圧電素子を用いた実用的な実施例
(1) 上述の§1では、本発明に係る圧電素子を用いた加速度
センサの基本的な実施例を述べた。ここでは、より実用
的ないくつかの変形例を述べることにする。 §2. Practical embodiment using piezoelectric element
(1) In the above §1, the basic embodiment of the acceleration sensor using the piezoelectric element according to the present invention has been described. Here, some more practical modifications will be described.
【0065】図17は、図7に示す加速度センサ本体部
を利用して、より実用的なセンサを実現するための検出
回路の一例を示す回路図である。この検出回路の主たる
構成要素は、主検出素子群160と、副検出素子170
と、マイクロコンピュータ180とである。この図17
の回路図中に示されている電極A1〜A9および電極B
は、図7の加速度センサ本体部に形成されている上部電
極A1〜A9および下部電極Bに相当する。また、チャ
ージアンプ161〜163,171は、図16に示す回
路におけるQ/V変換回路に相当するものであり、各電
極に発生した電荷量に比例した電圧値をもった信号を発
生する機能を有する。図16に示す回路では、合計9組
のQ/V変換回路が用いられているのに対し、図17に
示す回路では、合計4組のチャージアンプしか用いられ
ていない。これは、主検出素子群160内のチャージア
ンプ161がQ/V変換回路131,132の機能を兼
ね、チャージアンプ162がQ/V変換回路133,1
34の機能を兼ね、チャージアンプ163がQ/V変換
回路135〜138の機能を兼ねているためである。な
お、副検出素子170内のチャージアンプ171は、そ
のままQ/V変換回路151に対応するものである。ま
た、図16に示す検出回路における各演算器141,1
42,143は、図17に示す検出回路では不要になっ
ている。FIG. 17 is a circuit diagram showing an example of a detection circuit for realizing a more practical sensor using the acceleration sensor main body shown in FIG. The main components of this detection circuit are a main detection element group 160 and a sub detection element 170.
And the microcomputer 180. This FIG.
A1 to A9 and electrode B shown in the circuit diagram of FIG.
Correspond to the upper electrodes A1 to A9 and the lower electrode B formed on the acceleration sensor main body in FIG. The charge amplifiers 161 to 163 and 171 correspond to the Q / V conversion circuit in the circuit shown in FIG. Have. In the circuit shown in FIG. 16, a total of nine sets of Q / V conversion circuits are used, whereas in the circuit shown in FIG. 17, only a total of four sets of charge amplifiers are used. This is because the charge amplifier 161 in the main detection element group 160 also functions as the Q / V conversion circuits 131 and 132, and the charge amplifier 162 functions as the Q / V conversion circuits 133 and 1
This is because the charge amplifier 163 also has the function of the Q / V conversion circuits 135 to 138. The charge amplifier 171 in the sub-detection element 170 corresponds to the Q / V conversion circuit 151 as it is. Further, each of the arithmetic units 141 and 1 in the detection circuit shown in FIG.
42 and 143 are unnecessary in the detection circuit shown in FIG.
【0066】もっとも、図16に示す検出回路の代わり
に、図17に示す検出回路を用いるためには、図7に示
す加速度センサ本体部に若干の設計変更を施す必要があ
る。図7に示す加速度センサ本体部に用いられている圧
電素子110は、既に述べたように、図12に示すよう
なタイプの分極特性をもつ。そして、このタイプの
分極特性をもつ圧電素子110を用いると、種々の方向
からの力(加速度)の作用により、図15の表に示すよ
うな極性の電荷が上部電極側に発生することになる。そ
こで、図16に示すような回路を用意しておけば、作用
した力の各軸方向成分をそれぞれ別個独立して検出する
ことができることは既に述べたとおりである。この図1
6の回路において、演算器141〜143が必要な理由
は、信号の差分を求めるためである。別言すれば、図1
6に示す回路において、電圧値V2,V4,V5,V8
は、演算器141〜143によって正負の極性を反転し
た上で他の電圧値に加算されていることになる。したが
って、これらの電圧値V2,V4,V5,V8の極性を
もともと反転させておくことができれば、演算器141
〜143は不要になる。電圧値V2,V4,V5,V8
の極性を反転させるには、上部電極A2,A4,A5,
A8に発生する電荷の極性を反転させればよい。However, in order to use the detection circuit shown in FIG. 17 instead of the detection circuit shown in FIG. 16, it is necessary to make some design changes to the acceleration sensor main body shown in FIG. As described above, the piezoelectric element 110 used in the acceleration sensor body shown in FIG. 7 has a polarization characteristic of the type shown in FIG. When a piezoelectric element 110 having this type of polarization characteristic is used, charges having polarities as shown in the table of FIG. . Therefore, as described above, if a circuit as shown in FIG. 16 is prepared, each axial component of the applied force can be detected separately and independently. This figure 1
The reason why the arithmetic units 141 to 143 are required in the circuit 6 is to obtain a difference between signals. In other words, FIG.
6, the voltage values V2, V4, V5, V8
Means that the positive and negative polarities are inverted by the arithmetic units 141 to 143 and then added to other voltage values. Therefore, if the polarities of these voltage values V2, V4, V5, and V8 can be originally reversed, the computing unit 141
143 is unnecessary. Voltage values V2, V4, V5, V8
Of the upper electrodes A2, A4, A5,
What is necessary is just to invert the polarity of the electric charge generated in A8.
【0067】本実施例は、部分的に分極特性の異なる圧
電素子を用いることにより、このような発生電荷の極性
反転を行っている。すなわち、図12に示す「タイプ
の分極特性」とは全く逆の「タイプの分極特性」を定
義し、圧電素子110のうち、上部電極A2,A4,A
5,A8が形成された領域だけは、「タイプの分極特
性」をとるように設計変更するのである。このような設
計変更を行った加速度センサ本体部を用いると、図15
に示す表のうち、上部電極A2,A4,A5,A8の欄
は正負が逆転した結果(図19の太枠部分参照)が得ら
れることになる。その結果、電圧値V1〜V8について
の減算は一切不要になる。In this embodiment, the polarity reversal of the generated charges is performed by using piezoelectric elements having partially different polarization characteristics. That is, the “type polarization characteristic” which is completely opposite to the “type polarization characteristic” shown in FIG. 12 is defined, and the upper electrodes A2, A4, A
The design of only the region in which 5, A8 is formed is changed so as to obtain “type polarization characteristics”. By using the acceleration sensor body having undergone such a design change, FIG.
Of the upper electrodes A2, A4, A5 and A8 in the table shown in FIG. 19, the result is reversed (see the thick frame in FIG. 19). As a result, no subtraction is required for the voltage values V1 to V8.
【0068】図17に示す検出回路は、このような設計
変更を行った加速度センサ本体部に適用するための回路
である。上述の設計変更により、X軸正方向の力Fxが
作用した場合、上部電極A1,A2のいずれにも正の電
荷が発生することになる。チャージアンプ161は、こ
れら両電極A1,A2に発生した正電荷の合計に相当す
る電圧値を発生し、この電圧値をマイクロコンピュータ
180の端子Txに与える機能を有する。また、上述の
設計変更により、Y軸正方向の力Fyが作用した場合、
上部電極A3,A4のいずれにも正の電荷が発生するこ
とになる。チャージアンプ162は、これら両電極A
3,A4に発生した正電荷の合計に相当する電圧値を発
生し、この電圧値をマイクロコンピュータ180の端子
Tyに与える機能を有する。同様に、上述の設計変更に
より、Z軸正方向の力Fzが作用した場合、上部電極A
5〜A8のいずれにも正の電荷が発生することになる。
チャージアンプ163は、これら4つの電極A5〜A8
に発生した正電荷の合計に相当する電圧値を発生し、こ
の電圧値をマイクロコンピュータ180の端子Tzに与
える機能を有する。このように、圧電素子に局在的な分
極処理を施すことにより、検出回路の構成をより単純化
することができる。The detection circuit shown in FIG. 17 is a circuit to be applied to the acceleration sensor body having undergone such a design change. When the force Fx in the positive direction of the X-axis is applied by the above-described design change, positive charges are generated in both of the upper electrodes A1 and A2. The charge amplifier 161 has a function of generating a voltage value corresponding to the sum of the positive charges generated on the two electrodes A1 and A2, and applying the voltage value to the terminal Tx of the microcomputer 180. Further, when a force Fy in the Y-axis positive direction acts due to the above design change,
Positive charges are generated in both of the upper electrodes A3 and A4. The charge amplifier 162 is connected to both electrodes A
3, a function to generate a voltage value corresponding to the sum of the positive charges generated in A4, and to apply this voltage value to the terminal Ty of the microcomputer 180. Similarly, when a force Fz in the positive direction of the Z-axis is applied due to the above design change, the upper electrode A
Positive charges will be generated in any of 5 to A8.
The charge amplifier 163 is connected to these four electrodes A5 to A8.
Has a function of generating a voltage value corresponding to the sum of the generated positive charges, and applying this voltage value to the terminal Tz of the microcomputer 180. As described above, by performing local polarization processing on the piezoelectric element, the configuration of the detection circuit can be further simplified.
【0069】この図17に示す検出回路を用いた加速度
センサの動作は、マイクロコンピュータ180によって
統括管理される。まず、このセンサの電源スイッチをO
Nにすると、電源Eに電力が供給される。電源Eからの
電力供給を受けたマイクロコンピュータ180は、制御
スイッチ181に対して、OFF状態を維持すべき制御
信号を与えるとともに、チャージアンプ171から端子
Tmに入力される電圧値を所定のしきい値電圧と比較す
る処理を開始する。チャージアンプ171の電源入力端
子eに対しては、電源Eから常に電力供給がなされる状
態になるため、チャージアンプ171は、上部電極A9
に発生する電荷に相当する電圧を常に発生し、これをマ
イクロコンピュータ180の端子Tmに与える。センサ
本体に大きな振動が加わらない平常時の動作モードで
は、この端子Tmに与えられる電圧値はしきい値より小
さな値となるため、マイクロコンピュータ180は、ひ
き続きOFF状態を維持すべき制御信号を制御スイッチ
181に与える。その結果、電源Eの電力は、主検出素
子群160を構成する各チャージアンプ161〜163
へは供給されず、主検出素子群160は休眠状態を維持
する。よって、マイクロコンピュータ180の端子T
x,Ty,Tzには加速度の検出値は得られない。The operation of the acceleration sensor using the detection circuit shown in FIG. First, set the power switch of this sensor to O
When N, power is supplied to the power supply E. The microcomputer 180, which has been supplied with power from the power supply E, supplies a control signal for maintaining the OFF state to the control switch 181 and also sets a voltage value input from the charge amplifier 171 to the terminal Tm to a predetermined threshold. The process of comparing with the value voltage is started. Since the power is always supplied from the power supply E to the power supply input terminal e of the charge amplifier 171, the charge amplifier 171 is connected to the upper electrode A9.
Always generates a voltage corresponding to the electric charge generated in the microcomputer 180, and supplies the voltage to the terminal Tm of the microcomputer 180. In a normal operation mode in which no large vibration is applied to the sensor main body, the voltage value applied to the terminal Tm is smaller than the threshold value, so that the microcomputer 180 continuously outputs a control signal to maintain the OFF state. It is given to the control switch 181. As a result, the power of the power supply E is reduced by the charge amplifiers 161 to 163 constituting the main detection element group 160.
, And the main detection element group 160 maintains the sleep state. Therefore, the terminal T of the microcomputer 180
No detected value of acceleration is obtained for x, Ty, and Tz.
【0070】このように、平常時の動作モードでは、電
源Eから供給された電力がマイクロコンピュータ180
で消費されるとともに、副検出素子170内で消費され
ることになるが、主検出素子群160内で消費されるこ
とはない。このため、通常の動作を行わせる場合に比べ
て、平常時の電力消費は大幅に低減される。As described above, in the normal operation mode, the electric power supplied from the power source E
Are consumed in the sub-detection element 170, but are not consumed in the main detection element group 160. For this reason, the power consumption in normal times is significantly reduced as compared with the case where the normal operation is performed.
【0071】一方、地震の発生により、センサ本体に大
きな振動が加わると、端子Tmに与えられる電圧値が所
定のしきい値を越えることになる。すると、マイクロコ
ンピュータ180は、ON状態に切り替えるべき制御信
号を制御スイッチ181に与える。これにより、電源E
から主検出素子群160への給電が開始し、チャージア
ンプ161〜163は、各電源入力端子eに電力の供給
を受けて本来の動作を開始する。その結果、マイクロコ
ンピュータ180の端子Tx,Ty,Tzには、実際に
作用した加速度のX軸,Y軸,Z軸方向成分の検出値が
得られることになる。たとえば、この加速度センサがガ
スメータ用のセンサであれば、マイクロコンピュータ1
80は、これらの加速度検出値に基づいて、ガスの供給
を停止すべきか否かを判断し、供給を停止する必要があ
ると判断した場合には、端子Toff から遮断信号をガス
供給弁に対して出力することになる。On the other hand, when a large vibration is applied to the sensor main body due to the occurrence of the earthquake, the voltage value applied to the terminal Tm exceeds a predetermined threshold value. Then, the microcomputer 180 gives a control signal to be switched to the ON state to the control switch 181. Thereby, the power supply E
Then, power supply to the main detection element group 160 is started, and the charge amplifiers 161 to 163 receive power supply to the respective power input terminals e and start the original operation. As a result, at the terminals Tx, Ty, Tz of the microcomputer 180, the detected values of the X-, Y-, and Z-axis components of the actually applied acceleration are obtained. For example, if this acceleration sensor is a sensor for a gas meter, the microcomputer 1
80 determines whether or not the supply of gas should be stopped based on these detected acceleration values. Output.
【0072】やがて、地震の振動が収まり、端子Tmに
与えられる電圧値が所定のしきい値よりも小さくなる
と、マイクロコンピュータ180は、OFF状態に切り
替えるべき制御信号を制御スイッチ181に与える。こ
れにより、電源Eから主検出素子群160への給電は再
び停止し、主検出素子群160は休眠状態に入り、平常
時の動作モードへ復帰することになる。Eventually, when the vibration of the earthquake stops and the voltage value applied to the terminal Tm becomes smaller than a predetermined threshold value, the microcomputer 180 supplies a control signal to be switched to the OFF state to the control switch 181. As a result, the power supply from the power supply E to the main detection element group 160 is stopped again, the main detection element group 160 enters a sleep state, and returns to the normal operation mode.
【0073】なお、図15の表に示されているように、
モニタ用の上部電極A9には、Y軸方向の力Fyのみが
作用した場合、何ら電荷は発生しない。したがって、Y
軸方向成分に比べて、X軸およびZ軸方向成分が極めて
小さな揺れが生じた場合、全体としては比較的大きな揺
れであったとしても、モニタ用の上部電極A9に発生す
る電荷は微量なものとなり、マイクロコンピュータ18
0の端子Tmに与えられる電圧値はしきい値に達しない
ものになる。このような事態を避けるためには、互いに
モニター用検出軸の方向が異なる複数の副検出素子を設
けるようにするのが好ましい。As shown in the table of FIG.
When only the force Fy in the Y-axis direction acts on the monitor upper electrode A9, no charge is generated. Therefore, Y
When the X-axis component and the Z-axis component are extremely small in comparison with the axial component, even if the entire component is relatively large, only a small amount of electric charge is generated on the monitor upper electrode A9. And the microcomputer 18
The voltage value applied to the 0 terminal Tm does not reach the threshold value. In order to avoid such a situation, it is preferable to provide a plurality of sub-detecting elements in which the directions of the monitoring detection axes are different from each other.
【0074】図18は、2組の副検出素子を有する加速
度センサ本体部を示す上面図である。この加速度センサ
本体部と、図9に示した加速度センサ本体部との相違は
次の2点である。まず、第1の相違点は、図9に示す圧
電素子110は、全領域がタイプの分極特性を有して
いたが、この図18に示す圧電素子118は、電極A
2,A4,A5,A8が形成されている領域については
タイプの分極特性を示すような分極処理が施されてい
る点である。このような局在的な分極処理を施す理由
は、既に述べたように、検出回路における減算を不要と
し、回路を単純化するためである。第2の相違点は、第
10番目の上部電極A10がY軸上に形成されている点
である。このセンサでは、X軸上に形成されている上部
電極A9が第1の副検出素子として機能し、Y軸上に形
成されている上部電極A10が第2の副検出素子として
機能する。FIG. 18 is a top view showing an acceleration sensor main body having two sets of sub-detecting elements. This acceleration sensor main body differs from the acceleration sensor main body shown in FIG. 9 in the following two points. First, the first difference is that the piezoelectric element 110 shown in FIG. 9 has a type of polarization characteristic in all regions, but the piezoelectric element 118 shown in FIG.
The point that the regions where A2, A4, A5, and A8 are formed is subjected to a polarization treatment that exhibits a type of polarization characteristic. The reason for performing such a local polarization process is to eliminate the subtraction in the detection circuit and simplify the circuit, as described above. The second difference is that the tenth upper electrode A10 is formed on the Y axis. In this sensor, the upper electrode A9 formed on the X axis functions as a first sub-detection element, and the upper electrode A10 formed on the Y axis functions as a second sub-detection element.
【0075】図19は、図18に示す加速度センサ本体
部について、各上部電極に発生する電荷の極性を示す表
である。ここで、太枠で囲った欄は、タイプの分極特
性を有する領域に形成された電極を示しており、図15
に示す表と比較すると、この太枠欄の符号が正負逆転し
ていることがわかる。図19の表に示されているよう
に、この実施例のセンサでは、モニタ用に2つの上部電
極A9,A10が用意されており、上部電極A9はX軸
およびZ軸方向の加速度検出が可能であり、上部電極A
10はY軸およびZ軸方向の加速度検出が可能である。
したがって、両電極A9,A10を利用すれば、X軸、
Y軸、Z軸のいずれの加速度成分が作用した場合にも検
出が可能になる。FIG. 19 is a table showing the polarity of the electric charge generated in each upper electrode in the acceleration sensor main body shown in FIG. Here, the columns surrounded by thick frames indicate the electrodes formed in the region having the type of polarization characteristics, and FIG.
It can be seen from the comparison with the table shown in FIG. As shown in the table of FIG. 19, in the sensor of this embodiment, two upper electrodes A9 and A10 are prepared for monitoring, and the upper electrode A9 can detect acceleration in the X-axis and Z-axis directions. And the upper electrode A
Numeral 10 is capable of detecting accelerations in the Y-axis and Z-axis directions.
Therefore, if both electrodes A9 and A10 are used, the X axis,
Detection can be performed when any of the Y-axis and Z-axis acceleration components act.
【0076】図20に示す検出回路は、この図18に示
す加速度センサ本体部に適用するための回路である。図
17に示す検出回路との大きな相違点は、図17に示す
回路における副検出素子170の代わりに、副検出素子
群175が設けられている点である。モニタ用の上部電
極A9に発生した電荷量は、チャージアンプ171によ
って電圧値に変換され、マイクロコンピュータ185の
端子Tm1に与えられ、もうひとつのモニタ用の上部電
極A10に発生した電荷量は、チャージアンプ172に
よって電圧値に変換され、マイクロコンピュータ185
の端子Tm2に与えられる。マイクロコンピュータ18
5は、端子Tm1およびTm2に与えられる2組の電圧
値に基づいて、制御スイッチ181に与える制御信号の
ON/OFFを決定することになる。具体的には、予め
共通のしきい値を設定しておき、いずれか一方の電圧値
でもしきい値以上になった場合には、スイッチONを示
す制御信号を与えるようにしてもよいし、両電圧値の和
が所定のしきい値以上になった場合に、ONを示す制御
信号を与えるようにしてもよい。また、個々の電圧値ご
とにそれぞれ別個のしきい値を設定しておいてもかまわ
ない。The detection circuit shown in FIG. 20 is a circuit to be applied to the acceleration sensor main body shown in FIG. A major difference from the detection circuit shown in FIG. 17 is that a sub-detection element group 175 is provided instead of the sub-detection element 170 in the circuit shown in FIG. The charge amount generated on the monitor upper electrode A9 is converted into a voltage value by the charge amplifier 171 and given to the terminal Tm1 of the microcomputer 185. The charge amount generated on the other monitor upper electrode A10 is charged. The voltage value is converted into a voltage value by the
To the terminal Tm2. Microcomputer 18
Reference numeral 5 determines ON / OFF of a control signal supplied to the control switch 181 based on two sets of voltage values supplied to the terminals Tm1 and Tm2. Specifically, a common threshold value is set in advance, and when any one of the voltage values becomes equal to or greater than the threshold value, a control signal indicating switch ON may be given, When the sum of the two voltage values exceeds a predetermined threshold value, a control signal indicating ON may be provided. Also, separate threshold values may be set for each voltage value.
【0077】また、この図20の検出回路では、副検出
素子群175に対しての電力供給を、マイクロコンピュ
ータ185の端子Tpから出力するパルス信号Epによ
って行っている。このパルス信号Epは、図6に示した
ような所定のサンプリング周波数をもった信号であり、
副検出素子群175の動作は断続的に行われることにな
る。したがって、マイクロコンピュータ185の端子T
m1,Tm2には、所定のサンプリング周期で電圧値が
与えられることになるが、既に述べたように、サンプリ
ング周期を地震の揺れの周期よりも短い設定しておけ
ば、地震計として用いるには何ら支障は生じない。この
図20に示す検出回路では、平常時の動作モードで2組
のチャージアンプ171,172が動作することになる
が、パルス信号Epによる断続的な動作になるようにし
たため、図17に示す検出回路よりもむしろ消費電力は
低下している。この図20の検出回路のその他の動作
は、上述した図17の検出回路と同様である。In the detection circuit of FIG. 20, power is supplied to the sub-detection element group 175 by the pulse signal Ep output from the terminal Tp of the microcomputer 185. This pulse signal Ep is a signal having a predetermined sampling frequency as shown in FIG.
The operation of the sub-detecting element group 175 is performed intermittently. Therefore, the terminal T of the microcomputer 185
Although voltage values are given to m1 and Tm2 at a predetermined sampling period, as described above, if the sampling period is set shorter than the period of the shaking of the earthquake, it can be used as a seismograph. No hindrance occurs. In the detection circuit shown in FIG. 20, the two charge amplifiers 171 and 172 operate in the normal operation mode. However, since the operation is intermittent by the pulse signal Ep, the detection circuit shown in FIG. Power consumption is lower than in circuits. Other operations of the detection circuit of FIG. 20 are the same as those of the detection circuit of FIG. 17 described above.
【0078】なお、図17あるいは図20の検出回路で
は、マイクロコンピュータの端子Tcからの制御信号に
よって、制御スイッチ181のON/OFFを切り替
え、電源Eからの主検出素子群160への給電を制御し
ているが、この制御信号をそのまま給電信号として各チ
ャージアンプ161〜163の電源入力端子eに供給す
るようにしてもかまわない。In the detection circuit of FIG. 17 or FIG. 20, the control switch 181 is turned on / off by a control signal from the terminal Tc of the microcomputer, and the power supply from the power supply E to the main detection element group 160 is controlled. However, this control signal may be supplied as it is to the power supply input terminal e of each of the charge amplifiers 161 to 163 as a power supply signal.
【0079】図21は、2組の副検出素子を有する別な
加速度センサ本体部を示す上面図である。この加速度セ
ンサ本体部は、図18に示す加速度センサ本体部におけ
るモニタ用の上部電極A9の代わりに、モニタ用の上部
電極A11を設けたものである。図18に示すモニタ用
の上部電極A9,A10は、いずれも外側環状領域に形
成されていたが、図21に示すモニタ用の上部電極A1
0は外側環状領域、A11は内側環状領域に形成されて
いる。図22は、図21に示す加速度センサ本体部につ
いて、各上部電極に発生する電荷の極性を示す表であ
る。やはり、太枠で囲った欄は、タイプの分極特性を
有する領域に形成された電極を示している。モニタ用の
上部電極A10,A11の欄を見ると、やはりこの2組
の上部電極A10,A11により、X軸,Y軸,Z軸の
すべての方向の加速度の検出が可能になっている。FIG. 21 is a top view showing another acceleration sensor main body having two sets of sub-detecting elements. This acceleration sensor main body is provided with a monitor upper electrode A11 instead of the monitor upper electrode A9 in the acceleration sensor main body shown in FIG. Although the monitor upper electrodes A9 and A10 shown in FIG. 18 were both formed in the outer annular region, the monitor upper electrode A1 shown in FIG.
0 is formed in the outer annular region, and A11 is formed in the inner annular region. FIG. 22 is a table showing the polarity of electric charges generated in each upper electrode in the acceleration sensor main body shown in FIG. Again, the columns surrounded by thick frames show the electrodes formed in the region having the type of polarization characteristics. Looking at the columns of the upper electrodes A10 and A11 for monitoring, it is also possible to detect accelerations in all directions of the X-axis, the Y-axis, and the Z-axis by these two sets of upper electrodes A10 and A11.
【0080】図18の実施例では、上部電極A9がX軸
上に配置され、上部電極A10がY軸上に配置されてい
たため、両配置軸は直交関係にあった。ところが、図2
1の実施例では、上部電極A10はY軸上に配置され、
上部電極A11はW1軸上に配置されているため、両配
置軸は直交関係にはない。このように2組の副検出素子
を設ける場合、両者は必ずしも直交関係にある軸上に配
置する必要はない。また、図18の実施例では、2組の
副検出素子(上部電極A9,A10)がともに外側環状
領域に配置されているが、図21に示すように、一方を
外側環状領域に配置し、他方を内側環状領域に配置する
ことも可能であるし、両方ともに内側環状領域に配置す
ることも可能である。In the embodiment shown in FIG. 18, since the upper electrode A9 is arranged on the X axis and the upper electrode A10 is arranged on the Y axis, the two arrangement axes are orthogonal. However, FIG.
In one embodiment, the upper electrode A10 is arranged on the Y axis,
Since the upper electrode A11 is arranged on the W1 axis, the two arrangement axes are not in an orthogonal relationship. When two sets of sub-detecting elements are provided, they need not necessarily be arranged on axes that are orthogonal to each other. Further, in the embodiment of FIG. 18, two sets of sub-detecting elements (upper electrodes A9 and A10) are both arranged in the outer annular area. However, as shown in FIG. The other can be arranged in the inner annular area, or both can be arranged in the inner annular area.
【0081】§3. 圧電素子を用いた実用的な実施例
(2) ここでは、主検出素子の一部を副検出素子として兼用し
た実施例を説明する。図23は、このような素子の兼用
を行った加速度センサ本体部を示す上面図である。この
加速度センサ本体部には、8枚の上部電極A1〜A8の
みが形成されており、これまでの実施例で述べてきたモ
ニタ用の上部電極A9〜A11は形成されていない。一
方、圧電素子118は、これまで図18あるいは図21
に示した圧電素子118と同様に、電極A2,A4,A
5,A8が形成されている領域についてはタイプの分
極特性をもち、それ以外の領域についてはタイプの分
極特性をもつような分極処理が施されている。 §3. Practical embodiment using piezoelectric element
(2) Here, an embodiment in which a part of the main detection element is also used as the sub detection element will be described. FIG. 23 is a top view showing an acceleration sensor main body that also serves such an element. Only eight upper electrodes A1 to A8 are formed on the acceleration sensor main body, and the monitor upper electrodes A9 to A11 described in the above embodiments are not formed. On the other hand, the piezoelectric element 118 has been
As in the piezoelectric element 118 shown in FIG.
5, a region where A8 is formed has a type of polarization characteristic, and the other regions are subjected to a polarization process having a type of polarization characteristic.
【0082】既に述べたように、上部電極A1,A2は
X軸方向の加速度成分検出に利用され、上部電極A3,
A4はY軸方向の加速度成分検出に利用され、上部電極
A5〜A8はZ軸方向の加速度成分検出に利用される。
したがって、これら8枚の上部電極A1〜A8は、いず
れも主検出素子を構成する電極である。しかしながら、
ここで述べる実施例では、これらの8枚のうち、上部電
極A2およびA4は、副検出素子を構成する電極(モニ
タ用電極)としても利用される。上部電極A2およびA
4がモニタ用の電極を兼ねるものとすると、この加速度
センサ本体部について、各上部電極に発生する電荷の極
性は、図24の表のように表される。ここで、太枠で囲
った欄は、タイプの分極特性を有する領域に形成され
た電極を示している。この表からもわかるとおり、上部
電極A2およびA4をモニタ用電極として利用した場
合、この2組のモニタ用電極A2,A4により、X軸,
Y軸,Z軸のすべての方向の加速度の検出が可能になっ
ている。As described above, the upper electrodes A1 and A2 are used for detecting the acceleration component in the X-axis direction.
A4 is used for detecting an acceleration component in the Y-axis direction, and the upper electrodes A5 to A8 are used for detecting an acceleration component in the Z-axis direction.
Therefore, these eight upper electrodes A1 to A8 are all electrodes constituting the main detection element. However,
In the embodiment described here, of these eight electrodes, the upper electrodes A2 and A4 are also used as electrodes (monitoring electrodes) constituting the sub-detection element. Upper electrodes A2 and A
Assuming that the electrode 4 also serves as a monitoring electrode, the polarity of the electric charge generated in each upper electrode of the acceleration sensor main body is represented as shown in the table of FIG. Here, the column surrounded by a thick frame shows the electrodes formed in the region having the type of polarization characteristics. As can be seen from this table, when the upper electrodes A2 and A4 are used as monitoring electrodes, the X-axis and
It is possible to detect acceleration in all directions of the Y axis and the Z axis.
【0083】図25は、図23に示す加速度センサ本体
部に適用すべき検出回路を示す回路図である。主検出素
子群190は、センサ本体部に形成された上部電極A1
〜A8および下部電極Bと、5組のチャージアンプ19
1〜195と、3組の演算器196〜198によって構
成されている。チャージアンプ191〜194は、それ
ぞれ上部電極A1〜A4に発生した電荷量を電圧値に変
換する機能を有し、チャージアンプ195は、上部電極
A5〜A8に発生した電荷量の総和を電圧値に変換する
機能を有する。また、演算器196,197は加算器か
ら構成され、演算器198は単なるアンプ回路から構成
されている。各チャージアンプ191〜195および各
演算器196〜198は、電源入力端子eへの電力供給
を受けて動作する。各電源入力端子eへの電力供給は、
電源Eから制御スイッチ182,183を介して行われ
る。また、チャージアンプ192および194に関して
は、マイクロコンピュータ188の端子Tpから供給さ
れるパルス信号Epの形でも、電源入力端子eへの電力
供給がなされる。FIG. 25 is a circuit diagram showing a detection circuit to be applied to the acceleration sensor main body shown in FIG. The main detection element group 190 includes an upper electrode A1 formed on the sensor main body.
To A8 and lower electrode B, and five sets of charge amplifiers 19
1 to 195 and three sets of arithmetic units 196 to 198. Each of the charge amplifiers 191 to 194 has a function of converting the amount of electric charge generated in the upper electrodes A1 to A4 into a voltage value. It has a function to convert. The arithmetic units 196 and 197 are formed of adders, and the arithmetic unit 198 is formed of a simple amplifier circuit. Each of the charge amplifiers 191 to 195 and each of the arithmetic units 196 to 198 operate by receiving power supply to the power input terminal e. The power supply to each power input terminal e is
The control is performed from the power supply E via the control switches 182 and 183. Further, with respect to the charge amplifiers 192 and 194, power is also supplied to the power input terminal e in the form of a pulse signal Ep supplied from the terminal Tp of the microcomputer 188.
【0084】まず、このセンサの電源スイッチをONに
すると、電源Eに電力が供給される。電源Eからの電力
供給を受けたマイクロコンピュータ188は、制御スイ
ッチ182,183に対して、OFF状態を維持すべき
制御信号を与えるとともに、端子Tpから所定のサンプ
リング周期をもったパルス信号Epを出力する処理を開
始する。このパルス信号Epは、5組のチャージアンプ
191〜195のうち、2組のチャージアンプ192,
194の電源入力端子eに対してのみ供給される。既に
述べたように、この実施例では、上部電極A2,A4は
副検出素子の構成要素としても機能し、2組のチャージ
アンプ192,194も副検出素子としての機能を果た
すことになる。結局、センサ本体に大きな振動が加わら
ない平常時の動作モードでは、主検出素子群190内の
各要素のうち、副検出素子を兼ねる2組のチャージアン
プ192,194の電源入力端子eに対してのみ電力供
給(パルス信号Ep)がなされ、上部電極A2に発生し
た電荷量に応じた電圧値がマイクロコンピュータ188
の端子Tm1に与えられるとともに、上部電極A4に発
生した電荷量に応じた電圧値がマイクロコンピュータ1
88の端子Tm2に与えられる。First, when the power switch of this sensor is turned on, power is supplied to the power source E. The microcomputer 188, which has been supplied with power from the power supply E, supplies a control signal to maintain the OFF state to the control switches 182 and 183, and outputs a pulse signal Ep having a predetermined sampling cycle from the terminal Tp. To start processing. This pulse signal Ep is output from two charge amplifiers 192 and 192 out of the five charge amplifiers 191 to 195.
194 is supplied only to the power input terminal e. As described above, in this embodiment, the upper electrodes A2 and A4 also function as constituent elements of the sub-detection elements, and the two sets of charge amplifiers 192 and 194 also function as sub-detection elements. As a result, in the normal operation mode in which no large vibration is applied to the sensor body, the power input terminals e of the two sets of charge amplifiers 192 and 194 which also serve as sub-detection elements among the elements in the main detection element group 190 are connected. Only the power is supplied (pulse signal Ep), and the voltage value corresponding to the amount of charge generated in the upper electrode A2 is calculated by the microcomputer 188.
And a voltage value corresponding to the amount of electric charge generated in the upper electrode A4.
88 terminal Tm2.
【0085】マイクロコンピュータ188は、端子Tm
1に入力される電圧値および端子Tm2に入力される電
圧値を所定のしきい値電圧と比較する処理を行う。セン
サ本体に大きな振動が加わらない平常時の動作モードで
は、これらの電圧値はしきい値より小さな値となるた
め、マイクロコンピュータ188は、ひき続きOFF状
態を維持すべき制御信号を制御スイッチ182,183
に与える。その結果、電源Eの電力は、主検出素子群1
90を構成するチャージアンプ191,193,195
や各演算器196〜198へは供給されず、主検出素子
群190は、副検出素子群を構成するチャージアンプ1
92および194を除いて、休眠状態を維持する。よっ
て、マイクロコンピュータ188の端子Tx,Ty,T
zには加速度の検出値は得られない。The microcomputer 188 has a terminal Tm
A process of comparing the voltage value input to 1 and the voltage value input to the terminal Tm2 with a predetermined threshold voltage is performed. In the normal operation mode in which no large vibration is applied to the sensor main body, these voltage values are smaller than the threshold value. 183
Give to. As a result, the power of the power supply E is
90, charge amplifiers 191, 193, 195
The main detection element group 190 is not supplied to the arithmetic units 196 to 198, and the charge amplifier 1 constituting the sub detection element group.
Except for 92 and 194, they remain dormant. Therefore, the terminals Tx, Ty, T of the microcomputer 188
No detected acceleration value is obtained for z.
【0086】このように、平常時の動作モードでは、電
源Eから供給された電力がマイクロコンピュータ188
で消費されるだけであり、マイクロコンピュータ188
は、パルス信号Epの発生にある程度の電力を消費する
ものの、通常の動作を行わせる場合に比べて、平常時の
電力消費は大幅に低減される。As described above, in the normal operation mode, the power supplied from the power supply E is supplied to the microcomputer 188.
Is only consumed by the microcomputer 188
Although a certain amount of power is consumed to generate the pulse signal Ep, the power consumption in normal times is significantly reduced as compared with the case where a normal operation is performed.
【0087】一方、地震の発生により、センサ本体に大
きな振動が加わると、端子Tm1あるいはTm2に与え
られる電圧値が所定のしきい値を越えることになる。す
ると、マイクロコンピュータ188は、ON状態に切り
替えるべき制御信号を制御スイッチ182,183に与
える。これにより、電源Eから主検出素子群190への
給電が開始し、チャージアンプ191〜195および演
算器196〜198は、各電源入力端子eに電力の供給
を受けて本来の動作を開始する。なお、マイクロコンピ
ュータ188は、この時点で、端子Tpからのパルス信
号Epの出力を停止する(回路に支障がなければ出力を
継続してもかまわない)。主検出素子群190が本来の
動作を開始した結果、マイクロコンピュータ188の端
子Tx,Ty,Tzには、実際に作用した加速度のX
軸,Y軸,Z軸方向成分の検出値が得られることにな
る。たとえば、この加速度センサがガスメータ用のセン
サであれば、マイクロコンピュータ188は、これらの
加速度検出値に基づいて、ガスの供給を停止すべきか否
かを判断し、供給を停止する必要があると判断した場合
には、端子Toff から遮断信号をガス供給弁に対して出
力することになる。On the other hand, when a large vibration is applied to the sensor body due to the occurrence of an earthquake, the voltage value applied to the terminal Tm1 or Tm2 exceeds a predetermined threshold value. Then, the microcomputer 188 gives a control signal to be switched to the ON state to the control switches 182 and 183. As a result, power supply from the power supply E to the main detection element group 190 starts, and the charge amplifiers 191 to 195 and the calculators 196 to 198 receive power supply to the respective power supply input terminals e and start their original operations. At this time, the microcomputer 188 stops outputting the pulse signal Ep from the terminal Tp (the output may be continued as long as there is no problem in the circuit). As a result of the main detection element group 190 starting its original operation, the terminals Tx, Ty, and Tz of the microcomputer 188 have X
The detected values of the components in the axis, Y-axis, and Z-axis directions are obtained. For example, if the acceleration sensor is a sensor for a gas meter, the microcomputer 188 determines whether or not to stop the gas supply based on the detected acceleration values, and determines that the supply needs to be stopped. In this case, a shutoff signal is output from the terminal Toff to the gas supply valve.
【0088】やがて、地震の振動が収まり、端子Tm1
あるいはTm2に与えられる電圧値が所定のしきい値よ
りも小さくなると、マイクロコンピュータ188は、O
FF状態に切り替えるべき制御信号を制御スイッチ18
2,183に与える。これにより、電源Eから主検出素
子群190への給電は再び停止する。一方、マイクロコ
ンピュータ188は、端子Tpからパルス信号Epの供
給を開始する。こうして、主検出素子群190は、副検
出素子群を兼ねるチャージアンプ192,194を除い
て、休眠状態に入り、平常時の動作モードへ復帰するこ
とになる。Eventually, the vibration of the earthquake stops and the terminal Tm1
Alternatively, when the voltage value applied to Tm2 becomes smaller than a predetermined threshold value, the microcomputer
The control signal to be switched to the FF state is supplied to the control switch 18.
2,183. Thus, the power supply from the power supply E to the main detection element group 190 stops again. On the other hand, the microcomputer 188 starts supplying the pulse signal Ep from the terminal Tp. In this way, the main detection element group 190 enters the sleep state except for the charge amplifiers 192 and 194 which also serve as the sub detection element groups, and returns to the normal operation mode.
【0089】§4. ピエゾ抵抗素子を用いた実施例 図26は、ピエゾ抵抗素子を用いて、本発明に利用でき
る加速度センサ本体部を構成した実施例の上面図であ
り、図27は、この図26に示す構造体をX軸に沿って
切断した側断面図である。半導体基板210は、シリコ
ンの単結晶基板であり、ここでは説明の便宜上、この半
導体基板210の上面中央にXYZ三次元座標系の原点
Oを定義し、図示の各方向に、X軸,Y軸,Z軸を定義
する。したがって、半導体基板210の上面はXY平面
に含まれる面になる。また、図示のとおり、X軸および
Y軸に対して45°の角度をなすW1軸およびW2軸を
定義する。 §4. Embodiment using a piezoresistive element FIG. 26 is a top view of an embodiment in which an acceleration sensor main body that can be used in the present invention is constructed using a piezoresistive element. FIG. FIG. 3 is a side cross-sectional view taken along the X axis. The semiconductor substrate 210 is a silicon single crystal substrate. For convenience of description, an origin O of an XYZ three-dimensional coordinate system is defined at the center of the upper surface of the semiconductor substrate 210, and the X axis and the Y axis , Z axis are defined. Therefore, the upper surface of the semiconductor substrate 210 is a surface included in the XY plane. Also, as shown in the figure, the W1 axis and the W2 axis that form an angle of 45 ° with the X axis and the Y axis are defined.
【0090】半導体基板210の構造的な特徴は、図2
6に破線で示されているように、下面に環状溝215が
形成されている点である。この実施例では、環状溝21
5は原点Oを取り囲むような円形をしている。図27の
側断面図に示されているように、半導体基板210の環
状溝215が形成された部分は、他の部分に比べて肉厚
が薄くなっており、可撓性を有する。ここでは、半導体
基板210の中の環状溝215の上方に位置する部分を
可撓部212と呼び、この可撓部212によって囲まれ
た中心の部分を中心部211と呼び、可撓部212の外
周に位置する部分を周囲部213と呼ぶことにする。The structural features of the semiconductor substrate 210 are shown in FIG.
As shown by a broken line in FIG. 6, an annular groove 215 is formed on the lower surface. In this embodiment, the annular groove 21
Reference numeral 5 denotes a circle surrounding the origin O. As shown in the side sectional view of FIG. 27, the portion of the semiconductor substrate 210 where the annular groove 215 is formed is thinner than the other portions, and has flexibility. Here, a portion of the semiconductor substrate 210 located above the annular groove 215 is referred to as a flexible portion 212, a central portion surrounded by the flexible portion 212 is referred to as a central portion 211, and A portion located on the outer periphery is referred to as a peripheral portion 213.
【0091】このような機械的な構造は、これまで述べ
てきた圧電素子を用いた加速度センサ本体部と全く同様
である。したがって、この半導体基板210において
も、中心部211だけをセンサ筐体に固定し、センサ筐
体全体を揺らすと、周囲部213が重錘体として機能す
ることになり、この重錘体には加速度に基づく力が作用
し、この力により可撓部212に撓みが生じることにな
る。逆に、周囲部213だけをセンサ筐体に固定し、セ
ンサ筐体全体を揺らすと、中心部211が重錘体として
機能することになる。すなわち、中心部211には加速
度に基づく力が作用し、この力によりやはり可撓部21
2に撓みが生じることになる。Such a mechanical structure is exactly the same as the above-described acceleration sensor main body using the piezoelectric element. Therefore, also in this semiconductor substrate 210, when only the central portion 211 is fixed to the sensor housing and the entire sensor housing is shaken, the peripheral portion 213 functions as a weight, and the weight has an acceleration. Is applied, and this force causes the flexible portion 212 to bend. Conversely, when only the peripheral portion 213 is fixed to the sensor housing and the entire sensor housing is shaken, the central portion 211 functions as a weight body. That is, a force based on the acceleration acts on the central portion 211, and the force also acts on the flexible portion 21.
2 will bend.
【0092】この実施例では、このような撓みにより各
部に生じた応力を、ピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化とし
て検出することになる。そのために、図26に示されて
いるように、合計14組の抵抗素子が半導体基板210
の上面の所定位置に形成されている。すなわち、X軸上
には4組の抵抗素子Rx1〜Rx4が、Y軸上には4組
の抵抗素子Ry1〜Ry4が、W2軸上には4組の抵抗
素子Rz1〜Rz4が、それぞれ形成されている。これ
ら12組の抵抗素子の他に、モニタ用の抵抗素子Rm
1,Rm2が図示の位置に形成されている。抵抗素子R
x1〜Rx4は、X軸方向の加速度成分を検出するため
の主検出素子であり、抵抗素子Ry1〜Ry4は、Y軸
方向の加速度成分を検出するための主検出素子であり、
抵抗素子Rz1〜Rz4は、Z軸方向の加速度成分を検
出するための主検出素子である。一方、モニタ用の抵抗
素子Rm1,Rm2は、副検出素子であり、地震計とし
て用いた場合、地震の初期振動を検出する機能を果た
す。In this embodiment, the stress generated in each part due to such bending is detected as a change in the resistance value of the piezoresistive element. Therefore, as shown in FIG. 26, a total of 14 resistance elements
At a predetermined position on the upper surface of the. That is, four resistance elements Rx1 to Rx4 are formed on the X axis, four resistance elements Ry1 to Ry4 are formed on the Y axis, and four resistance elements Rz1 to Rz4 are formed on the W2 axis. ing. In addition to these 12 resistance elements, a monitoring resistance element Rm
1, Rm2 are formed at the positions shown in the figure. Resistance element R
x1 to Rx4 are main detection elements for detecting an acceleration component in the X-axis direction, and resistance elements Ry1 to Ry4 are main detection elements for detecting an acceleration component in the Y-axis direction.
The resistance elements Rz1 to Rz4 are main detection elements for detecting an acceleration component in the Z-axis direction. On the other hand, the monitoring resistance elements Rm1 and Rm2 are sub-detection elements, and when used as a seismometer, perform a function of detecting an initial vibration of an earthquake.
【0093】モニタ用の抵抗素子Rm1,Rm2の形成
位置は任意でかまわないが、この2組の副検出素子によ
り、X軸,Y軸,Z軸のすべての加速度方向成分を効率
的に検出できるようにするためには、互いに直交する2
軸に沿ってそれぞれのモニタ用抵抗素子を配置するよう
にするのが好ましい。図示の実施例では、抵抗素子Rm
1はW1軸に沿って配置されており、抵抗素子Rm2は
ほぼW2軸に沿って配置されており、2つの配置軸は直
交関係にある。The positions of the resistance elements Rm1 and Rm2 for monitoring may be arbitrarily determined. However, the two sets of sub-detection elements can efficiently detect all the X-axis, Y-axis and Z-axis acceleration components. To do so, two orthogonal to each other
It is preferable to arrange each monitoring resistance element along the axis. In the illustrated embodiment, the resistance element Rm
1 is arranged along the W1 axis, the resistance element Rm2 is arranged substantially along the W2 axis, and the two arrangement axes are in an orthogonal relationship.
【0094】図28は、図26に示す加速度センサ本体
部に適用するための検出回路を示す回路図である。この
検出回路の中で、マイクロコンピュータ230の上方の
部分が主検出素子群を構成し、下方の部分が副検出素子
群を構成する。ブリッジ回路Brxは、図26に示され
ている4組の抵抗素子Rx1〜Rx4により構成され、
ブリッジ回路Bryは、図26に示されている4組の抵
抗素子Ry1〜Ry4により構成され、ブリッジ回路B
rzは、図26に示されている4組の抵抗素子Rz1〜
Rz4により構成される。各ブリッジ回路の上端点に
は、マイクロコンピュータ230の端子Teから所定の
電源電圧が供給され、各ブリッジ回路の下端点は接地さ
れている。個々のブリッジ回路Brx,Bry,Brz
の左右端点の電圧差は、それぞれアンプ回路221,2
22,223によって増幅され、増幅された電圧値は、
マイクロコンピュータ230の端子Tx,Ty,Tzに
与えられる。また、各アンプ回路221,222,22
3の電源入力端子eには、マイクロコンピュータ230
の端子Teからの電力が供給される。FIG. 28 is a circuit diagram showing a detection circuit applied to the acceleration sensor main body shown in FIG. In this detection circuit, an upper part of the microcomputer 230 constitutes a main detection element group, and a lower part thereof constitutes a sub detection element group. The bridge circuit Brx is configured by four sets of resistance elements Rx1 to Rx4 shown in FIG.
The bridge circuit Bry includes four sets of resistance elements Ry1 to Ry4 shown in FIG.
rz is the four resistance elements Rz1 to Rz1 shown in FIG.
Rz4. A predetermined power supply voltage is supplied to the upper end point of each bridge circuit from the terminal Te of the microcomputer 230, and the lower end point of each bridge circuit is grounded. Individual bridge circuits Brx, Bry, Brz
The voltage difference between the left and right end points of the
22, 223, and the amplified voltage value is
The signals are supplied to terminals Tx, Ty, and Tz of the microcomputer 230. Further, each of the amplifier circuits 221, 222, 22
3 is connected to the microcomputer 230
Is supplied from the terminal Te.
【0095】各アンプ回路221,222,223は、
各ブリッジ回路Brx,Bry,Brzの左右端点間の
平衡状態を検出する機能を有する。図26に示す加速度
センサ本体部に対して、何ら加速度が作用していない状
態では、各ブリッジ回路Brx,Bry,Brzの左右
端点間は平衡状態を維持するように調整されている。加
速度が作用すると、その加速度の方向成分に応じた所定
のブリッジ回路の平衡がくずれるので、作用した加速度
は、所定のアンプ回路によって検出されることになる。
具体的には、アンプ回路221によって作用した加速度
のX軸方向成分が検出され、アンプ回路222によって
Y軸方向成分が検出され、アンプ回路223によってZ
軸方向成分が検出されることになる。Each of the amplifier circuits 221, 222, and 223
It has a function of detecting an equilibrium state between left and right end points of each bridge circuit Brx, Bry, Brz. When no acceleration is applied to the acceleration sensor main body shown in FIG. 26, adjustment is performed so as to maintain an equilibrium state between the left and right end points of each bridge circuit Brx, Bry, Brz. When the acceleration acts, the balance of the predetermined bridge circuit corresponding to the directional component of the acceleration is lost, and the applied acceleration is detected by the predetermined amplifier circuit.
Specifically, the X-axis direction component of the acceleration applied by the amplifier circuit 221 is detected, the Y-axis direction component is detected by the amplifier circuit 222, and the Z-axis component is detected by the amplifier circuit 223.
An axial component will be detected.
【0096】このような検出が行われる原理は、前述し
た圧電素子を用いた加速度センサとほぼ同じである。す
なわち、半導体基板210の周囲部213をセンサ筐体
に固定し、中心部211を重錘体として機能させ、この
重錘体に各座標軸方向の加速度が作用した場合を考える
と、作用した加速度の向きに応じて、半導体基板210
の各部には、図13あるいは図14に矢印で示すよう
に、伸びる方向もしくは縮む方向への応力が生じること
になる。一方、半導体基板210上に形成された各ピエ
ゾ抵抗素子は、伸びたり縮んだりする機械的変形によ
り、抵抗値が増減する性質を有する。このため、図28
に示すようなブリッジ回路を形成しておけば、X軸,Y
軸,Z軸方向の加速度成分を、他軸成分の干渉を排除し
た状態で、それぞれ独立して検出できるようになり、マ
イクロコンピュータ230の端子Tx,Ty,Tzに
は、加速度の各軸方向成分を示す電圧値が与えられるこ
とになる。The principle of such detection is almost the same as that of the above-described acceleration sensor using a piezoelectric element. That is, when the peripheral portion 213 of the semiconductor substrate 210 is fixed to the sensor housing, and the central portion 211 functions as a weight, and acceleration in each coordinate axis direction acts on the weight, the acceleration applied is considered. Depending on the orientation, the semiconductor substrate 210
As shown by arrows in FIG. 13 or FIG. 14, a stress in the extending direction or the contracting direction is generated in each part. On the other hand, each piezoresistive element formed on the semiconductor substrate 210 has a property that the resistance value increases or decreases due to mechanical deformation that expands or contracts. Therefore, FIG.
If a bridge circuit is formed as shown in FIG.
The acceleration components in the axis and Z-axis directions can be detected independently of each other while eliminating the interference of other axis components. Terminals Tx, Ty, and Tz of the microcomputer 230 provide the acceleration component in each axis direction. Is given.
【0097】一方、マイクロコンピュータ230の下方
の部分(副検出素子群)には、端子Tp1からモニタ用
の抵抗素子Rm1を通って端子Tm1に至る電流路と、
端子Tp2からモニタ用の抵抗素子Rm2を通って端子
Tm2に至る電流路と、が形成されており、これらの電
流路には、モニタ用電流im1,im2が供給される。
この実施例では、モニタ用電流im1,im2として、
所定のサンプリング周期をもって断続的に供給されるパ
ルス状の電流が用いられている。On the other hand, a current path from the terminal Tp1 to the terminal Tm1 through the monitor resistor Rm1 is provided below the microcomputer 230 (sub-detection element group).
A current path from the terminal Tp2 to the terminal Tm2 through the monitoring resistance element Rm2 is formed, and the monitoring currents im1 and im2 are supplied to these current paths.
In this embodiment, as the monitor currents im1 and im2,
A pulsed current intermittently supplied at a predetermined sampling cycle is used.
【0098】この図28に示す回路を用いた加速度セン
サの動作は次のとおりである。まず、この加速度センサ
の電源スイッチをONにすると、端子Tp1,Tp2か
らモニタ用電流im1,im2の供給が開始され、モニ
タ用抵抗素子Rm1,Rm2を通る電流路が形成され
る。この時点では、端子Teからの電力供給は行われな
いため、各ブリッジ回路Brx,Bry,Brzおよび
各アンプ回路221,222,223は動作せず休眠状
態となっている。大きな振動のない平常時の動作モード
では、モニタ用抵抗素子Rm1,Rm2は標準となる抵
抗値を示す。マイクロコンピュータ230は、端子Tm
1,Tm2へと還流する電流値(あるいは端子Tm1,
Tm2の電圧値)をモニタすることにより、モニタ用抵
抗素子Rm1,Rm2の抵抗値を検出することができ
る。そして、この検出された抵抗値と標準抵抗値との差
が所定のしきい値に達しない限りは、そのまま平常時の
動作モードを維持する。すなわち、端子Teからの電力
供給は停止状態のままとなる。The operation of the acceleration sensor using the circuit shown in FIG. 28 is as follows. First, when the power switch of the acceleration sensor is turned on, supply of the monitoring currents im1 and im2 from the terminals Tp1 and Tp2 is started, and a current path passing through the monitoring resistance elements Rm1 and Rm2 is formed. At this time, since power is not supplied from the terminal Te, each of the bridge circuits Brx, Bry, Brz and each of the amplifier circuits 221, 222, and 223 do not operate and are in a sleep state. In the normal operation mode without large vibration, the monitoring resistance elements Rm1 and Rm2 show standard resistance values. The microcomputer 230 has a terminal Tm
1, Tm2 (or terminal Tm1,
By monitoring the voltage value of Tm2), the resistance values of the monitoring resistance elements Rm1 and Rm2 can be detected. Then, as long as the difference between the detected resistance value and the standard resistance value does not reach the predetermined threshold value, the normal operation mode is maintained as it is. That is, the power supply from the terminal Te remains stopped.
【0099】結局、この平常時の動作モードでは、マイ
クロコンピュータ230の下方に示された副検出素子の
みが動作している状態となり、上方に示された主検出素
子は休眠状態となっている。しかも、副検出素子に供給
されるモニタ用電流im1,im2は、サンプリングに
必要な周期で断続的に供給されるため、この平常時の動
作モードの消費電力は極めて低いものになる。After all, in the normal operation mode, only the sub-detection element shown below the microcomputer 230 is operating, and the main detection element shown above is in a sleep state. In addition, since the monitoring currents im1 and im2 supplied to the sub-detection element are supplied intermittently at a cycle required for sampling, the power consumption in the normal operation mode is extremely low.
【0100】一方、所定のレベル以上の地震が発生した
場合、この地震の振動により半導体基板210に撓みが
生じ、モニタ用抵抗素子Rm1もしくはRm2の抵抗値
に大きな変化が生じることになる。マイクロコンピュー
タ230は、この抵抗値の変化が所定のしきい値以上に
なった場合、端子Teからの電力供給を開始する。これ
により、各ブリッジ回路Brx,Bry,Brzおよび
各アンプ回路221,222,223は通常の動作を開
始し、端子Tx,Ty,Tzには、作用した加速度の方
向および大きさが、X軸,Y軸,Z軸の各軸方向成分ご
とに独立して出力されることになる。マイクロコンピュ
ータ230は、これらの検出値に基づいて、たとえば、
ガスの供給を停止すべきか否かを判断し、必要に応じ
て、端子Toff からガスの供給弁に対して遮断信号を与
える処理を実行する。On the other hand, when an earthquake of a predetermined level or more occurs, the vibration of this earthquake causes the semiconductor substrate 210 to bend, resulting in a large change in the resistance value of the monitoring resistance element Rm1 or Rm2. When the change in the resistance value becomes equal to or greater than a predetermined threshold value, the microcomputer 230 starts power supply from the terminal Te. As a result, each of the bridge circuits Brx, Bry, Brz and each of the amplifier circuits 221, 222, 223 start a normal operation, and the direction and magnitude of the applied acceleration are applied to the terminals Tx, Ty, Tz on the X axis. It is output independently for each of the Y-axis and Z-axis components. The microcomputer 230, for example, based on these detection values,
It is determined whether the supply of gas should be stopped or not, and if necessary, a process of giving a shut-off signal from the terminal Toff to the gas supply valve is executed.
【0101】やがて地震の振動が収まると、モニタ用抵
抗素子Rm1もしくはRm2の抵抗値がもとの標準値に
もどるため、マイクロコンピュータ230は、端子Te
からの電力供給を停止し、もとの平常時の動作モードに
復帰する。When the vibration of the earthquake subsides, the resistance value of the monitoring resistance element Rm1 or Rm2 returns to the original standard value.
Is stopped, and the operation mode returns to the normal operation mode.
【0102】§5. 容量素子を用いた実施例(1) 続いて、容量素子を用いて、本発明に利用できる加速度
センサ本体部を構成した実施例を説明する。いま、図2
9に示すように、可撓性をもち、表面が絶縁性を有する
可撓性基板310を用意し、その上面に7枚の電極E1
〜E7を形成する。一方、図30に示すような固定基板
320を用意し、電極E0を形成する。そして、両基板
の電極形成面を向かい合わせるようにして、両基板の周
囲部をセンサ筐体に固定する。図31は、このようにし
て構成したセンサ本体部の側断面図である。この例で
は、図29に示す可撓性基板310を、電極E1〜E7
の形成面が上向きになるように配置するとともに、図3
0に示す固定基板320を、電極E0の形成面が下向き
になるようにして配置しており、可撓性基板310の下
面には、円柱状の重錘体330を取り付けている。可撓
性基板310と固定基板320とは、互いに所定間隔を
保って平行になるように配置され、両基板の周囲部はセ
ンサ筐体340に固着されている。 §5. Embodiment Using Capacitive Element (1) Subsequently, an embodiment in which a capacitive element is used to constitute an acceleration sensor body that can be used in the present invention will be described. Now, FIG.
As shown in FIG. 9, a flexible substrate 310 having flexibility and an insulating surface is prepared, and seven electrodes E1 are provided on the upper surface thereof.
To E7. On the other hand, a fixed substrate 320 as shown in FIG. 30 is prepared, and an electrode E0 is formed. Then, the peripheral portions of both substrates are fixed to the sensor housing so that the electrode forming surfaces of both substrates face each other. FIG. 31 is a side sectional view of the sensor main body configured as described above. In this example, the flexible substrate 310 shown in FIG.
3 is arranged so that the formation surface of the
The fixed substrate 320 shown in FIG. 0 is disposed so that the surface on which the electrode E0 is formed faces downward, and a cylindrical weight 330 is attached to the lower surface of the flexible substrate 310. The flexible substrate 310 and the fixed substrate 320 are arranged so as to be parallel to each other with a predetermined space therebetween, and the peripheral portions of both substrates are fixed to the sensor housing 340.
【0103】図示のとおり、固定基板320は比較的厚
く、撓みを生じない剛性を有するのに対し、可撓性基板
310は比較的薄く、可撓性を有している。両基板の対
向面には、それぞれ所定位置に電極が形成されている。
いま、可撓性基板310の上面に原点Oを定め、図示の
方向にX軸,Y軸,Z軸を定めることにより、XYZ三
次元座標系を定義する。可撓性基板310および固定基
板320は、いずれもXY平面に平行に配置されている
ことになる。As shown, the fixed substrate 320 is relatively thick and has rigidity that does not cause bending, whereas the flexible substrate 310 is relatively thin and flexible. Electrodes are formed at predetermined positions on opposing surfaces of both substrates.
Now, the origin O is defined on the upper surface of the flexible substrate 310, and the X, Y, and Z axes are defined in the illustrated directions, thereby defining the XYZ three-dimensional coordinate system. Both the flexible substrate 310 and the fixed substrate 320 are arranged in parallel to the XY plane.
【0104】図29に示すように、可撓性基板310上
には、X軸上に電極E1,E2が形成され、Y軸上に電
極E3,E4が形成され、中心部に円形の電極E5が形
成されている。ここで、電極E1,E2はX軸に関して
線対称となるような形状および配置を有し、電極E3,
E4はY軸に関して線対称となるような形状および配置
を有している。また、X軸およびY軸に対して45°を
なすW1軸およびW2軸が定義されており、電極E6,
E7は、それぞれW1軸,W2軸上に配置されている。
これに対し、図30に示す電極E0は、電極E1〜E7
のすべてに対向するような大型の円形をなしており、図
31に示すように両基板を対向配置した場合に、可撓性
基板310側の7枚の電極E1〜E7は、それぞれ固定
基板320側の電極E0の一部分と対向することにな
り、この対向した一対の電極により容量素子が形成され
ることになる。ここでは、7枚の電極E1〜E7と、電
極E0の各対向部分とによって形成される容量素子を、
それぞれ容量素子C1〜C7と呼ぶことにする。As shown in FIG. 29, on the flexible substrate 310, electrodes E1 and E2 are formed on the X axis, electrodes E3 and E4 are formed on the Y axis, and a circular electrode E5 is formed at the center. Are formed. Here, the electrodes E1 and E2 have shapes and arrangements that are symmetric with respect to the X axis, and the electrodes E3 and E2
E4 has a shape and an arrangement symmetrical with respect to the Y axis. In addition, W1 axis and W2 axis which form 45 ° with respect to the X axis and the Y axis are defined, and the electrodes E6 and E6 are formed.
E7 is arranged on the W1 axis and the W2 axis, respectively.
On the other hand, the electrode E0 shown in FIG.
31. When the two substrates are opposed to each other as shown in FIG. 31, the seven electrodes E1 to E7 on the flexible substrate 310 side are fixed to the fixed substrate 320, respectively. This opposes a part of the side electrode E0, and a capacitance element is formed by the pair of opposing electrodes. Here, a capacitive element formed by the seven electrodes E1 to E7 and the opposing portions of the electrode E0 is
These will be referred to as capacitance elements C1 to C7, respectively.
【0105】いま、この加速度センサ本体部に対して、
X軸方向の加速度が作用した場合を考える。この場合、
重錘体330の重心Pに対しては、X軸方向の力Fxが
加わることになり、可撓性基板310は図32に示すよ
うに撓みを生じることになる。この撓みにより、可撓性
基板310の各部分はそれぞれ変位を生じる。たとえ
ば、電極E1が形成されている部分は電極E0へ接近す
る方向への変位を生じ、電極E2が形成されている部分
は電極E0から遠ざかる方向への変位を生じる。同様
に、Y軸方向の加速度が作用した場合は、重錘体330
の重心Pに対してY軸方向の力Fyが加わることにな
り、電極E3が形成されている部分は電極E0へ接近す
る方向への変位を生じ、電極E4が形成されている部分
は電極E0から遠ざかる方向への変位を生じる。更に、
この加速度センサ本体部に対して、Z軸方向の加速度が
作用した場合は、重錘体330の重心Pに対してZ軸方
向の力Fzが加わることになり、可撓性基板310は図
33に示すように撓みを生じることになる。この撓みに
より、可撓性基板310上の全電極は、電極E0へ接近
する方向への変位を生じることになる。Now, with respect to this acceleration sensor main body,
Consider a case in which acceleration in the X-axis direction acts. in this case,
The force Fx in the X-axis direction is applied to the center of gravity P of the weight body 330, and the flexible substrate 310 bends as shown in FIG. Each part of the flexible substrate 310 is displaced by this bending. For example, a portion where the electrode E1 is formed causes a displacement in a direction approaching the electrode E0, and a portion where the electrode E2 is formed causes a displacement in a direction away from the electrode E0. Similarly, when acceleration in the Y-axis direction acts, the weight body 330
A force Fy in the Y-axis direction is applied to the center of gravity P, and the portion where the electrode E3 is formed is displaced in the direction approaching the electrode E0, and the portion where the electrode E4 is formed is the electrode E0. Displacement in the direction away from the object. Furthermore,
When acceleration in the Z-axis direction acts on this acceleration sensor body, a force Fz in the Z-axis direction is applied to the center of gravity P of the weight body 330, and the flexible substrate 310 As shown in FIG. Due to this bending, all the electrodes on the flexible substrate 310 are displaced in a direction approaching the electrode E0.
【0106】この実施例に係る加速度センサの原理は、
このように可撓性基板310の各部分の変位に基づい
て、作用した加速度を検出するというものである。変位
の検出には、容量素子の静電容量値の変化を利用するこ
とができる。すなわち、一対の電極により構成される容
量素子の静電容量値は、電極間隔によって変化する。電
極間隔が広がれば容量値は小さくなり、電極間隔が縮ま
れば容量値は大きくなる。したがって、各容量素子の容
量値を測定することにより、電極間隔を測定することが
でき、可撓性基板310各部の変位状態を認識すること
ができる。The principle of the acceleration sensor according to this embodiment is as follows.
Thus, the applied acceleration is detected based on the displacement of each portion of the flexible substrate 310. For detecting the displacement, a change in the capacitance value of the capacitance element can be used. That is, the capacitance value of the capacitor formed by the pair of electrodes changes depending on the electrode interval. The capacitance value decreases as the electrode interval increases, and the capacitance value increases as the electrode interval decreases. Therefore, by measuring the capacitance value of each capacitance element, the electrode interval can be measured, and the displacement state of each part of the flexible substrate 310 can be recognized.
【0107】図29に示されている7枚の電極E1〜E
7のうち、電極E1,E2はX軸方向の加速度検出に利
用され、電極E3,E4はY軸方向の加速度検出に利用
され、電極E5はZ軸方向の加速度検出に利用される。
これら5枚の電極は、主検出素子を構成する電極という
ことになる。一方、電極E6およびE7は、モニタ用の
電極であり、副検出素子を構成する電極である。The seven electrodes E1 to E shown in FIG.
Of the electrodes 7, the electrodes E1 and E2 are used for detecting acceleration in the X-axis direction, the electrodes E3 and E4 are used for detecting acceleration in the Y-axis direction, and the electrode E5 is used for detecting acceleration in the Z-axis direction.
These five electrodes are electrodes constituting the main detection element. On the other hand, the electrodes E6 and E7 are monitoring electrodes, and constitute electrodes of the sub-detection element.
【0108】図32の変位状態を観察すれば、容量素子
C1,C2の容量値の変化により、X軸方向の加速度検
出が可能なことが理解できよう。X軸方向の加速度に基
づいて、重錘体330に力Fxが加わると、電極E1−
E0間の距離は小さくなり、電極E2−E0間の距離は
大きくなる。したがって、容量素子C1の容量値は大き
くなり、容量素子C2の容量値は小さくなる。結局、両
容量素子C1,C2の容量値の差が、作用したX軸方向
の加速度の値を示していることになる。同様に、両容量
素子C3,C4の容量値の差が、作用したY軸方向の加
速度の値を示すことになる。しかも、電極E1〜E4
は、X軸またはY軸に関して線対称になっているので、
他軸成分の検出値が干渉を及ぼすことはない。たとえ
ば、X軸方向の加速度が作用した場合、電極E3−E0
間の距離や電極E4−E0間の距離は、部分的に大きく
なったり小さくなったりするが、全体としては変わりは
ないため、両容量素子C3,C4の容量値の差に変化は
生じない。By observing the displacement state of FIG. 32, it can be understood that acceleration in the X-axis direction can be detected by changing the capacitance values of the capacitance elements C1 and C2. When a force Fx is applied to the weight body 330 based on the acceleration in the X-axis direction, the electrode E1-
The distance between E0 decreases and the distance between electrodes E2-E0 increases. Therefore, the capacitance value of the capacitance element C1 increases, and the capacitance value of the capacitance element C2 decreases. As a result, the difference between the capacitance values of the two capacitance elements C1 and C2 indicates the value of the applied acceleration in the X-axis direction. Similarly, the difference between the capacitance values of the two capacitance elements C3 and C4 indicates the value of the applied acceleration in the Y-axis direction. Moreover, the electrodes E1 to E4
Is symmetrical about the X or Y axis,
The detected values of other axis components do not cause interference. For example, when acceleration in the X-axis direction acts, the electrodes E3-E0
Although the distance between them and the distance between the electrodes E4 and E0 partially increase or decrease, they do not change as a whole, so that there is no change in the difference between the capacitance values of the two capacitance elements C3 and C4.
【0109】また、Z軸方向の加速度に基づいて、重錘
体330に力Fzが加わると、図33に示されているよ
うに、電極E5−E0間の距離が小さくなり、容量素子
C5の容量値は大きくなる。よって、容量素子C5の容
量値の変化分が作用したZ軸方向の加速度の値を示すこ
とになる。When a force Fz is applied to the weight body 330 based on the acceleration in the Z-axis direction, as shown in FIG. 33, the distance between the electrodes E5 and E0 decreases, and the The capacitance value increases. Therefore, the value of the acceleration in the Z-axis direction exerted by the change in the capacitance value of the capacitance element C5 is shown.
【0110】一方、モニタ用電極E6,E7が形成され
ている部分は、X軸,Y軸,Z軸のいずれの加速度成分
が作用した場合であっても変位が生じる。したがって、
容量素子C6,C7の容量値の変化をモニタしていれ
ば、X軸,Y軸,Z軸のいずれの加速度成分が作用した
場合であっても検出が可能になる。なお、モニタ用電極
を2組設けているのは、1組だけでは、W1軸方向のみ
の加速度あるいはW2軸方向のみの加速度を検出するこ
とができないためである。On the other hand, the portion where the monitoring electrodes E6 and E7 are formed is displaced even when any of the acceleration components of the X axis, the Y axis and the Z axis is applied. Therefore,
If the change in the capacitance value of the capacitance elements C6 and C7 is monitored, detection is possible even when any of the X-axis, Y-axis, and Z-axis acceleration components act. Note that two sets of monitoring electrodes are provided because only one set cannot detect acceleration in only the W1 axis direction or acceleration in only the W2 axis direction.
【0111】図34は、図31に示す加速度センサ本体
部に適用するための検出回路の一例を示す回路図であ
る。この検出回路の主たる構成要素は、主検出素子群3
50と、副検出素子群360と、マイクロコンピュータ
370とである。この図34の回路図中に示されている
電極E1〜E7は図29に示されている各電極であり、
電極E0は図30に示されている電極である。前述のよ
うに、対向する各電極により、容量素子C1〜C7が形
成されている。主検出素子群350には、5組のC/V
変換回路351〜355と3組の演算器356〜358
が設けられている。5組のC/V変換回路351〜35
5は、それぞれ容量素子C1〜C5の静電容量値を電圧
値に変換する機能を有する。FIG. 34 is a circuit diagram showing an example of a detection circuit applied to the acceleration sensor body shown in FIG. The main components of this detection circuit are a main detection element group 3
50, a sub-detection element group 360, and a microcomputer 370. The electrodes E1 to E7 shown in the circuit diagram of FIG. 34 are the respective electrodes shown in FIG.
The electrode E0 is the electrode shown in FIG. As described above, the capacitance elements C1 to C7 are formed by the facing electrodes. The main detection element group 350 includes five sets of C / V
Conversion circuits 351 to 355 and three sets of operation units 356 to 358
Is provided. 5 sets of C / V conversion circuits 351 to 35
Reference numeral 5 has a function of converting capacitance values of the capacitance elements C1 to C5 into voltage values.
【0112】演算器356は、C/V変換回路351の
出力電圧とC/V変換回路352の出力電圧との差に相
当する電圧を求め、これをX軸方向の加速度検出値とし
てマイクロコンピュータ370の端子Txに与える機能
を有する。容量素子C1の容量値と容量素子C2の容量
値との差が、X軸方向の加速度成分を示すことは既に述
べたとおりである。同様に、演算器357は、C/V変
換回路353の出力電圧とC/V変換回路354の出力
電圧との差に相当する電圧を求め、これをY軸方向の加
速度検出値としてマイクロコンピュータ370の端子T
yに与える機能を有する。容量素子C3の容量値と容量
素子C4の容量値との差が、Y軸方向の加速度成分を示
すことも既に述べたとおりである。演算器358は、単
なるアンプとして機能し、C/V変換回路355の出力
に相当する電圧を、Z軸方向の加速度検出値としてマイ
クロコンピュータ370の端子Tzに与える機能を有す
る。容量素子C5の容量値の変化分が、Z軸方向の加速
度成分を示すことも既に述べたとおりである。The arithmetic unit 356 obtains a voltage corresponding to the difference between the output voltage of the C / V conversion circuit 351 and the output voltage of the C / V conversion circuit 352, and uses this as the detected acceleration value in the X-axis direction. To the terminal Tx. As described above, the difference between the capacitance value of the capacitance element C1 and the capacitance value of the capacitance element C2 indicates the acceleration component in the X-axis direction. Similarly, the calculator 357 obtains a voltage corresponding to the difference between the output voltage of the C / V conversion circuit 353 and the output voltage of the C / V conversion circuit 354, and uses this as the detected acceleration value in the Y-axis direction. Terminal T
It has the function of giving y. As described above, the difference between the capacitance value of the capacitance element C3 and the capacitance value of the capacitance element C4 indicates the acceleration component in the Y-axis direction. The arithmetic unit 358 functions as a mere amplifier, and has a function of applying a voltage corresponding to the output of the C / V conversion circuit 355 to the terminal Tz of the microcomputer 370 as a detected acceleration value in the Z-axis direction. As described above, the change in the capacitance value of the capacitance element C5 indicates the acceleration component in the Z-axis direction.
【0113】5組のC/V変換回路351〜355も3
組の演算器356〜358も、いずれもマイクロコンピ
ュータ370の端子Teから各電源入力端子eへ電力供
給を受けることにより動作する。したがって、端子Te
からの電力供給が行われないと、主検出素子群350は
本来の機能を停止し休眠状態となる。The five sets of C / V conversion circuits 351 to 355 are also 3
Each set of arithmetic units 356 to 358 operates by receiving power supply from terminal Te of microcomputer 370 to each power input terminal e. Therefore, the terminal Te
If power is not supplied from the main detection element group 350, the main detection element group 350 stops its original function and enters a sleep state.
【0114】一方、副検出素子群360には、2組のC
/V変換回路361,362が設けられている。C/V
変換回路361は、モニタ用容量素子C6の静電容量値
を電圧値に変換してマイクロコンピュータ370の端子
Tm1に与える機能を有し、C/V変換回路362は、
モニタ用容量素子C7の静電容量値を電圧値に変換して
マイクロコンピュータ370の端子Tm2に与える機能
を有する。C/V変換回路361,362の電源入力端
子eに対しては、マイクロコンピュータ370の端子T
pからパルス信号Epが供給され、このパルス信号Ep
による電力でC/V変換回路361,362は断続的に
動作する。既に述べてきたように、パルス信号Epを用
いて副検出素子を断続的に動作させることは、消費電力
を低減するために非常に効果的である。しかも、この加
速度センサの利用環境に応じた所定のサンプリング周期
をもったパルス信号Epを用いるようにすれば、断続的
な動作であっても何ら支障は生じない。On the other hand, two sets of C
/ V conversion circuits 361 and 362 are provided. C / V
The conversion circuit 361 has a function of converting the capacitance value of the monitor capacitance element C6 into a voltage value and providing the voltage value to the terminal Tm1 of the microcomputer 370. The C / V conversion circuit 362
It has a function of converting the capacitance value of the monitoring capacitance element C7 into a voltage value and giving it to the terminal Tm2 of the microcomputer 370. A power input terminal e of the C / V conversion circuits 361 and 362 is connected to a terminal T of the microcomputer 370.
p supplies a pulse signal Ep, and this pulse signal Ep
The C / V conversion circuits 361 and 362 operate intermittently with the power of As described above, intermittently operating the sub-detection element using the pulse signal Ep is very effective for reducing power consumption. In addition, if the pulse signal Ep having a predetermined sampling cycle according to the use environment of the acceleration sensor is used, no trouble occurs even in the case of intermittent operation.
【0115】この図34に示す検出回路を用いた加速度
センサの動作は、マイクロコンピュータ370によって
統括管理される。まず、このセンサの電源スイッチをO
Nにすると、電源Eに電力が供給される。電源Eからの
電力供給を受けたマイクロコンピュータ370は、端子
Tpからパルス信号Epの供給を開始し、副検出素子群
360に対する電力供給を行う。この時点では、端子T
eからの電力供給は行われないため、主検出素子群35
0は休眠状態を維持する。C/V変換回路361,36
2は、容量素子C6,C7の静電容量値に対応する電圧
値を、マイクロコンピュータ370の端子Tm1,Tm
2へ与える。センサ本体に大きな振動が加わらない平常
時の動作モードでは、端子Tm1,Tm2に与えられる
電圧値は所定の基準値を維持する。マイクロコンピュー
タ370は、端子Tm1,Tm2に与えられる電圧値と
所定の基準値との差が所定のしきい値より小さい限り、
端子Teからの電力供給は行わない。このため、主検出
素子群350はひき続き休眠状態を継続することにな
り、平常時の動作モードが維持される。The operation of the acceleration sensor using the detection circuit shown in FIG. First, set the power switch of this sensor to O
When N, power is supplied to the power supply E. The microcomputer 370 that has received the power supply from the power supply E starts supplying the pulse signal Ep from the terminal Tp, and supplies power to the sub-detection element group 360. At this point, the terminal T
e, power is not supplied from the main detection element group 35.
0 maintains a dormant state. C / V conversion circuits 361 and 36
Reference numeral 2 denotes a voltage value corresponding to the capacitance value of each of the capacitance elements C6 and C7,
Give to 2. In a normal operation mode in which no large vibration is applied to the sensor body, the voltage value applied to the terminals Tm1 and Tm2 maintains a predetermined reference value. The microcomputer 370 operates as long as the difference between the voltage value applied to the terminals Tm1 and Tm2 and a predetermined reference value is smaller than a predetermined threshold value.
No power is supplied from the terminal Te. For this reason, the main detection element group 350 continues to be in the sleep state continuously, and the normal operation mode is maintained.
【0116】このように、平常時の動作モードでは、電
源Eから供給された電力がマイクロコンピュータ370
で消費されるとともに、C/V変換回路361,362
で消費されることになるが、主検出素子群350内で消
費されることはない。このため、通常の動作を行わせる
場合に比べて、平常時の電力消費は大幅に低減される。As described above, in the normal operation mode, the power supplied from the power supply E is supplied to the microcomputer 370.
And the C / V conversion circuits 361 and 362
, But is not consumed in the main detection element group 350. For this reason, the power consumption in normal times is significantly reduced as compared with the case where the normal operation is performed.
【0117】一方、地震の発生により、センサ本体に大
きな振動が加わると、端子Tm1あるいはTm2に与え
られる電圧値と基準値との差が所定のしきい値を越える
ことになる。すると、マイクロコンピュータ370は、
端子Teからの電力供給を開始し、主検出素子群350
を通常動作させる。その結果、マイクロコンピュータ3
70の端子Tx,Ty,Tzには、実際に作用した加速
度のX軸,Y軸,Z軸方向成分の検出値が得られること
になる。たとえば、この加速度センサがガスメータ用の
センサであれば、マイクロコンピュータ370は、これ
らの加速度検出値に基づいて、ガスの供給を停止すべき
か否かを判断し、供給を停止する必要があると判断した
場合には、端子Toff から遮断信号をガス供給弁に対し
て出力することになる。On the other hand, when a large vibration is applied to the sensor body due to the occurrence of the earthquake, the difference between the voltage value applied to the terminal Tm1 or Tm2 and the reference value exceeds a predetermined threshold value. Then, the microcomputer 370
The power supply from the terminal Te is started, and the main detection element group 350
Is operated normally. As a result, the microcomputer 3
At the terminals Tx, Ty, and Tz of 70, the detected values of the X-, Y-, and Z-axis components of the actually applied acceleration are obtained. For example, if the acceleration sensor is a sensor for a gas meter, the microcomputer 370 determines whether or not to stop the gas supply based on the detected acceleration values, and determines that the supply needs to be stopped. In this case, a shutoff signal is output from the terminal Toff to the gas supply valve.
【0118】やがて、地震の振動が収まり、端子Tm1
およびTm2に与えられる電圧値が基準値に近い値まで
戻ると、マイクロコンピュータ370は、端子Teから
の電力供給を停止し、主検出素子群350を再び休眠状
態にする。こうして、平常時の動作モードへ復帰するこ
とになる。Eventually, the vibration of the earthquake stops and the terminal Tm1
When the voltage value applied to Tm2 and Tm2 returns to a value close to the reference value, microcomputer 370 stops the power supply from terminal Te, and sets main detection element group 350 to the sleep state again. Thus, the operation mode returns to the normal operation mode.
【0119】§6. 容量素子を用いた実施例(2) ここでは、§5で述べた実施例において、主検出素子の
一部を副検出素子として兼用した実施例を説明する。図
35は、このような素子の兼用を行う場合の可撓性基板
310上の電極構成を示す上面図である。図29に示す
電極構成と比較すればわかるように、図35に示す可撓
性基板310には、モニタ用の電極E6,E7が設けら
れていない。既に述べたように、電極E1,E2はX軸
方向の加速度成分検出に利用され、電極E3,E4はY
軸方向の加速度成分検出に利用され、電極A5はZ軸方
向の加速度成分検出に利用される。したがって、これら
5枚の電極E1〜E5は、いずれも主検出素子を構成す
る電極である。しかしながら、ここで述べる実施例で
は、これらの5枚のうち、電極E2およびE4は、副検
出素子を構成する電極(モニタ用電極)としても利用さ
れる。 §6. Embodiment Using a Capacitance Element (2) Here, an embodiment will be described in which a part of the main detection element is also used as a sub-detection element in the embodiment described in §5. FIG. 35 is a top view showing an electrode configuration on the flexible substrate 310 when such an element is shared. As can be seen from comparison with the electrode configuration shown in FIG. 29, the flexible substrate 310 shown in FIG. 35 is not provided with the monitoring electrodes E6 and E7. As described above, the electrodes E1 and E2 are used for detecting the acceleration component in the X-axis direction, and the electrodes E3 and E4 are used for detecting the acceleration component in the Y-axis direction.
The electrode A5 is used for detecting an acceleration component in the axial direction, and the electrode A5 is used for detecting an acceleration component in the Z-axis direction. Therefore, these five electrodes E1 to E5 are all electrodes constituting the main detection element. However, in the embodiment described here, of these five electrodes, the electrodes E2 and E4 are also used as electrodes (monitoring electrodes) constituting the sub-detection element.
【0120】図36は、図35に示す可撓性基板310
を用いたセンサ本体部に適用すべき検出回路を示す回路
図である。主検出素子群359は、センサ本体部に形成
された電極E0〜E5と、5組のC/V変換回路351
〜355と、3組の演算器356〜358によって構成
されており、この構成は図34に示す回路における主検
出素子群350の構成とほぼ同じである。ただ、図36
に示す回路におけるC/V変換回路352a,354a
の電源入力端子eには、マイクロコンピュータ375の
端子Teからの電力と端子Tpからの電力(パルス信号
Ep)との双方を受け入れる機能が備わっている。FIG. 36 shows the flexible substrate 310 shown in FIG.
FIG. 4 is a circuit diagram showing a detection circuit to be applied to a sensor main body using the sensor. The main detection element group 359 includes electrodes E0 to E5 formed in the sensor main body and five sets of C / V conversion circuits 351.
To 355 and three sets of arithmetic units 356 to 358. This configuration is almost the same as the configuration of the main detection element group 350 in the circuit shown in FIG. However, FIG.
C / V conversion circuits 352a and 354a in the circuit shown in FIG.
Has a function of receiving both the power from the terminal Te of the microcomputer 375 and the power (pulse signal Ep) from the terminal Tp.
【0121】まず、このセンサの電源スイッチをONに
すると、電源Eに電力が供給される。電源Eからの電力
供給を受けたマイクロコンピュータ375は、端子Tp
から所定のサンプリング周期をもったパルス信号Epを
出力する処理を開始する。このパルス信号Epは、5組
のC/V変換回路351〜355のうち、2組のC/V
変換回路352a,354aの電源入力端子eに対して
のみ供給される。既に述べたように、この実施例では、
電極E2,E4は副検出素子の構成要素としても機能
し、2組のC/V変換回路352a,354aも副検出
素子としての機能を果たすことになる。一方、マイクロ
コンピュータ375は、端子Teからの電力供給はこの
時点では行わない。したがって、C/V変換回路35
1,353,355および各演算器356〜358へは
電力が供給されない状態となる。First, when the power switch of this sensor is turned on, power is supplied to the power source E. The microcomputer 375 that has been supplied with power from the power supply E outputs
, A process of outputting a pulse signal Ep having a predetermined sampling period from is started. This pulse signal Ep is output from two sets of C / V conversion circuits among the five sets of C / V conversion circuits 351-355.
It is supplied only to the power input terminal e of the conversion circuits 352a and 354a. As already mentioned, in this embodiment,
The electrodes E2 and E4 also function as constituent elements of the sub-detection element, and the two sets of C / V conversion circuits 352a and 354a also function as sub-detection elements. On the other hand, the microcomputer 375 does not supply power from the terminal Te at this time. Therefore, the C / V conversion circuit 35
The power is not supplied to 1, 353, 355 and the computing units 356 to 358.
【0122】結局、センサ本体に大きな振動が加わらな
い平常時の動作モードでは、主検出素子群359内の各
要素のうち、副検出素子を兼ねる2組のC/V変換回路
352a,354aの電源入力端子eに対してのみ電力
供給(パルス信号Ep)がなされ、容量素子C2の静電
容量値に応じた電圧値がマイクロコンピュータ375の
端子Tm1に与えられるとともに、容量素子C4の静電
容量値に応じた電圧値がマイクロコンピュータ375の
端子Tm2に与えられる。After all, in the normal operation mode in which no large vibration is applied to the sensor body, the power supply of the two sets of C / V conversion circuits 352a and 354a also serving as the sub-detection elements among the elements in the main detection element group 359. Power is supplied only to the input terminal e (pulse signal Ep), a voltage value corresponding to the capacitance value of the capacitance element C2 is given to the terminal Tm1 of the microcomputer 375, and the capacitance value of the capacitance element C4 Is applied to the terminal Tm2 of the microcomputer 375.
【0123】マイクロコンピュータ375は、端子Tm
1に入力される電圧値および端子Tm2に入力される電
圧値と、所定の基準値との電圧差を求め、この電圧差が
所定のしきい値以上か否かを判断する。センサ本体に大
きな振動が加わらない平常時の動作モードでは、この電
圧差はしきい値より小さな値となるため、マイクロコン
ピュータ375は、ひき続き、2組のC/V変換回路3
52a,354aに対してのみ電力供給を行うことにな
る。その結果、主検出素子群359は、副検出素子群を
構成する2組のC/V変換回路352a,354aを除
いて、休眠状態を維持する。よって、マイクロコンピュ
ータ375の端子Tx,Ty,Tzには加速度の検出値
は得られない。The microcomputer 375 has a terminal Tm
A voltage difference between a voltage value input to 1 and a voltage value input to the terminal Tm2 and a predetermined reference value is determined, and it is determined whether the voltage difference is equal to or greater than a predetermined threshold value. In the normal operation mode in which no large vibration is applied to the sensor main body, the voltage difference is smaller than the threshold value, so that the microcomputer 375 continues to perform the two sets of C / V conversion circuits 3
Power is supplied only to 52a and 354a. As a result, the main detection element group 359 maintains a sleep state except for the two sets of C / V conversion circuits 352a and 354a that constitute the sub detection element group. Therefore, no detected value of acceleration is obtained at the terminals Tx, Ty, and Tz of the microcomputer 375.
【0124】このように、平常時の動作モードでは、電
源Eから供給された電力がマイクロコンピュータ375
で消費されるだけであり、マイクロコンピュータ375
は、パルス信号Epの発生にある程度の電力を消費する
ものの、通常の動作を行わせる場合に比べて、平常時の
電力消費は大幅に低減される。As described above, in the normal operation mode, the power supplied from the power supply E is supplied to the microcomputer 375.
Is only consumed by the microcomputer 375
Although a certain amount of power is consumed to generate the pulse signal Ep, the power consumption in normal times is significantly reduced as compared with the case where a normal operation is performed.
【0125】一方、地震の発生により、センサ本体に大
きな振動が加わると、端子Tm1あるいはTm2に与え
られる電圧値が変動し、基準値に対する電圧差が所定の
しきい値を越えることになる。すると、マイクロコンピ
ュータ375は、端子Teからの電力供給を開始する。
これにより、主検出素子群359全体が本来の動作を開
始する。なお、マイクロコンピュータ375は、この時
点で、端子Tpからのパルス信号Epの出力を停止する
(回路動作に支障がなければ出力を継続したままでもよ
い)。主検出素子群359が本来の動作を開始した結
果、マイクロコンピュータ375の端子Tx,Ty,T
zには、実際に作用した加速度のX軸,Y軸,Z軸方向
成分の検出値が得られることになる。たとえば、この加
速度センサがガスメータ用のセンサであれば、マイクロ
コンピュータ375は、これらの加速度検出値に基づい
て、ガスの供給を停止すべきか否かを判断し、供給を停
止する必要があると判断した場合には、端子Toff から
遮断信号をガス供給弁に対して出力することになる。On the other hand, when a large vibration is applied to the sensor body due to the occurrence of an earthquake, the voltage value applied to the terminal Tm1 or Tm2 fluctuates, and the voltage difference from the reference value exceeds a predetermined threshold. Then, the microcomputer 375 starts power supply from the terminal Te.
Thus, the entire main detection element group 359 starts the original operation. At this time, the microcomputer 375 stops the output of the pulse signal Ep from the terminal Tp (the output may be continued if the operation of the circuit is not hindered). As a result of the main detection element group 359 starting the original operation, the terminals Tx, Ty, T
For z, the detected values of the X-axis, Y-axis, and Z-axis components of the actually applied acceleration are obtained. For example, if the acceleration sensor is a sensor for a gas meter, the microcomputer 375 determines whether to stop the gas supply based on the detected acceleration values, and determines that the supply needs to be stopped. In this case, a shutoff signal is output from the terminal Toff to the gas supply valve.
【0126】やがて、地震の振動が収まり、端子Tm1
あるいはTm2に与えられる電圧値が所定の基準値に近
い値まで戻ると、マイクロコンピュータ375は、端子
Teからの電力供給を停止するとともに、端子Tpから
パルス信号Epの供給を開始する。こうして、主検出素
子群359は、副検出素子群を兼ねる2組のC/V変換
回路352a,354aを除いて、休眠状態に入り、平
常時の動作モードへ復帰することになる。Eventually, the vibration of the earthquake stops and the terminal Tm1
Alternatively, when the voltage value applied to Tm2 returns to a value close to the predetermined reference value, the microcomputer 375 stops supplying power from the terminal Te and starts supplying the pulse signal Ep from the terminal Tp. In this way, the main detection element group 359, except for the two sets of C / V conversion circuits 352a and 354a also serving as the sub-detection element group, enters the sleep state and returns to the normal operation mode.
【0127】§7. 消費電力を更に低減させるための
回路構成 最後に、平常時の消費電力を更に低減させるための工夫
を述べておく。この工夫は、§1〜§3で述べた圧電素
子を用いた実施例に適用するためのものである。図1
7,図20,図25には、圧電素子を用いた実用的な実
施例に係る検出回路を示した。これらの検出回路では、
副検出素子として機能する圧電素子についての発生電荷
量を、チャージアンプを用いて所定の電圧値に変換し、
マイクロコンピュータに信号伝達を行うようにしてい
た。このとき、チャージアンプへの電力供給を、所定の
サンプリング周期をもったパルス信号を用いて間欠的に
行えば、平常時の電力消費を低減させることができるこ
とは既に述べたとおりである。しかしながら、チャージ
アンプを駆動させるためには、間欠的にせよ電力供給を
行うことが不可欠であり、電力消費は避けられない。 §7. To further reduce power consumption
Circuit Configuration Finally, some measures to further reduce the power consumption during normal times will be described. This contrivance is applied to the embodiment using the piezoelectric element described in §1 to §3. FIG.
7, FIGS. 20 and 25 show a detection circuit according to a practical embodiment using a piezoelectric element. In these detection circuits,
The generated charge amount of the piezoelectric element functioning as a sub-detection element is converted to a predetermined voltage value using a charge amplifier,
A signal was transmitted to the microcomputer. At this time, if the power supply to the charge amplifier is intermittently performed using a pulse signal having a predetermined sampling period, the power consumption in normal times can be reduced as described above. However, in order to drive the charge amplifier, it is essential to supply power intermittently, and power consumption is inevitable.
【0128】ここでは、消費電力を更に低減させ、平常
時における電力消費を理論的には零に抑えることができ
る検出回路を開示しておく。図37は、副検出素子から
の信号を取り出してマイクロコンピュータに伝達させる
仕事を、チャージアンプではなく、MOSトランジスタ
を用いて行うようにした検出回路を示す回路図である。
ここで、圧電素子410は、副検出素子として機能する
圧電素子であり、上部電極Aと下部電極Bとによって挟
まれている。下部電極Bは接地され、上部電極Aは、P
型MOSトランジスタTR1およびN型MOSトランジ
スタTR2のゲート電極に接続されている。また、各M
OSトランジスタTR1,TR2のソース・ドレイン電
極の一方は接地され、他方はマイクロコンピュータ42
0の端子Tm1,Tm2に接続されている。マイクロコ
ンピュータ420の端子Tm1,Tm2には、接地電位
に対して所定の電圧が加わっており、各MOSトランジ
スタがONになると、端子Tm1,Tm2からそれぞれ
モニタ電流im1,im2が流れるようになっている。Here, a detection circuit capable of further reducing power consumption and theoretically suppressing power consumption in normal times to zero is disclosed. FIG. 37 is a circuit diagram showing a detection circuit that extracts a signal from a sub-detection element and transmits the signal to a microcomputer using a MOS transistor instead of a charge amplifier.
Here, the piezoelectric element 410 is a piezoelectric element that functions as a sub-detection element, and is sandwiched between the upper electrode A and the lower electrode B. The lower electrode B is grounded, and the upper electrode A is P
It is connected to the gate electrodes of the type MOS transistor TR1 and the N type MOS transistor TR2. In addition, each M
One of the source and drain electrodes of the OS transistors TR1 and TR2 is grounded, and the other is a microcomputer 42
0 terminals Tm1 and Tm2. A predetermined voltage with respect to the ground potential is applied to the terminals Tm1 and Tm2 of the microcomputer 420, and when each MOS transistor is turned on, monitor currents im1 and im2 flow from the terminals Tm1 and Tm2, respectively. .
【0129】平常時、すなわち加速度が作用していない
状態では、圧電素子410には何ら電荷は発生しない。
したがって、平常時には各MOSトランジスタTR1,
TR2のゲート電極の電位は零(接地レベル)になり、
両トランジスタはOFFの状態になる。このため、モニ
タ電流im1,im2は流れることなく、副検出素子と
しての消費電力は零になる。ところが、地震発生により
加速度が作用すると、上部電極Aに所定の電荷が発生
し、MOSトランジスタがON状態になる。すなわち、
上部電極Aに正の電荷が発生すると、各トランジスタの
ゲート電極に正電圧が印加され、N型MOSトランジス
タTR2がON状態になり、モニタ電流im2が観測さ
れることになる。逆に、上部電極Aに負の電荷が発生す
ると、各トランジスタのゲート電極に負電圧が印加さ
れ、P型MOSトランジスタTR1がON状態になり、
モニタ電流im1が観測されることになる。マイクロコ
ンピュータ420は、端子Tm1,Tm2を流れるモニ
タ電流im1,im2を監視し、この電流値が所定のし
きい値以上になった場合に、主検出素子(図示されてい
ない)への給電を開始すればよい。In a normal state, that is, in a state where no acceleration is applied, no charge is generated in the piezoelectric element 410.
Therefore, in normal times, each MOS transistor TR1,
The potential of the gate electrode of TR2 becomes zero (ground level),
Both transistors are turned off. Therefore, the monitor currents im1 and im2 do not flow, and the power consumption as the sub-detection element becomes zero. However, when acceleration acts due to the occurrence of an earthquake, a predetermined charge is generated on the upper electrode A, and the MOS transistor is turned on. That is,
When a positive charge is generated in the upper electrode A, a positive voltage is applied to the gate electrode of each transistor, the N-type MOS transistor TR2 is turned on, and the monitor current im2 is observed. Conversely, when a negative charge is generated on the upper electrode A, a negative voltage is applied to the gate electrode of each transistor, and the P-type MOS transistor TR1 turns on.
The monitor current im1 will be observed. The microcomputer 420 monitors the monitor currents im1 and im2 flowing through the terminals Tm1 and Tm2, and starts supplying power to a main detection element (not shown) when the current value exceeds a predetermined threshold value. do it.
【0130】なお、地震の揺れは、上下や左右の往復振
動であるため、加速度の方向は周期的に逆転する。この
ため、上部電極Aに発生する電荷の極性も周期的に反転
することになる。したがって、図37に示す回路図で
は、一対のMOSトランジスタTR1,TR2を設けた
例を示したが、地震などの往復振動を検出する一般的な
加速度センサとして用いるのであれば、P型MOSトラ
ンジスタTR1か、N型MOSトランジスタTR2かの
いずれか一方だけを設けておけば十分である。Since the shaking of the earthquake is a reciprocating vibration in the vertical and horizontal directions, the direction of the acceleration is periodically reversed. Therefore, the polarity of the charge generated in the upper electrode A is also periodically inverted. Therefore, in the circuit diagram shown in FIG. 37, an example is shown in which a pair of MOS transistors TR1 and TR2 are provided. However, if it is used as a general acceleration sensor for detecting reciprocal vibration such as an earthquake, the P-type MOS transistor TR1 Alternatively, it is sufficient to provide only one of the N-type MOS transistor TR2.
【0131】図38は、MOSトランジスタの代わり
に、npn型バイポーラトランジスタを用いた例であ
る。上部電極Aは、抵抗素子Rおよび容量素子Cを介し
て接地されるとともに、バイポーラトランジスタTR3
のベース電極に接続されている。また、バイポーラトラ
ンジスタTR3のエミッタ電極は接地され、コレクタ電
極はマイクロコンピュータ430の端子Tmに接続され
ている。マイクロコンピュータ430の端子Tmには、
接地電位に対して所定の電圧が加わっており、トランジ
スタTR3がONになると、モニタ電流imが流れるよ
うになっている。FIG. 38 shows an example in which an npn-type bipolar transistor is used instead of a MOS transistor. The upper electrode A is grounded via a resistance element R and a capacitance element C, and is connected to a bipolar transistor TR3.
Are connected to the base electrode. The emitter electrode of the bipolar transistor TR3 is grounded, and the collector electrode is connected to the terminal Tm of the microcomputer 430. The terminal Tm of the microcomputer 430 includes
When a predetermined voltage is applied to the ground potential and the transistor TR3 is turned on, a monitor current im flows.
【0132】平常時、すなわち加速度が作用していない
状態では、圧電素子410には何ら電荷は発生しない。
したがって、平常時にはトランジスタTR3のベース電
極の電位は零(接地レベル)になり、npn型トランジ
スタはOFFの状態になる。このため、モニタ電流im
は流れることなく、副検出素子としての消費電力は零に
なる。ところが、地震発生により加速度が作用すると、
上述したように、上部電極Aには正の電荷および負の電
荷が周期的に発生する。ベース電極に正の電圧がかかる
と、トランジスタTR3はON状態になり、モニタ電流
imが観測されることになる。マイクロコンピュータ4
30は、端子Tmを流れるモニタ電流imを監視し、こ
の電流値が所定のしきい値以上になった場合に、主検出
素子(図示されていない)への給電を開始すればよい。In normal times, that is, when no acceleration is applied, no charge is generated in the piezoelectric element 410.
Therefore, in normal times, the potential of the base electrode of the transistor TR3 becomes zero (ground level), and the npn-type transistor is turned off. Therefore, the monitor current im
Does not flow, and the power consumption as the sub-detection element becomes zero. However, when acceleration acts due to an earthquake,
As described above, positive and negative charges are periodically generated in the upper electrode A. When a positive voltage is applied to the base electrode, the transistor TR3 is turned on, and the monitor current im is observed. Microcomputer 4
The monitoring unit 30 monitors the monitor current im flowing through the terminal Tm, and starts supplying power to a main detection element (not shown) when the current value exceeds a predetermined threshold value.
【0133】このように、図37あるいは図38に示す
回路を副検出素子の信号検出に用いれば、平常時の電力
消費を零に抑えることが可能になり、センサ全体の消費
電力を更に低減させることが可能になる。As described above, if the circuit shown in FIG. 37 or FIG. 38 is used for signal detection of the sub-detection element, it is possible to suppress the power consumption in normal times to zero, and further reduce the power consumption of the whole sensor. It becomes possible.
【0134】たとえば、図17に示す検出回路の場合、
チャージアンプ171の代わりに上述のトランジスタ回
路を適用すればよい。また、図20に示す検出回路の場
合、チャージアンプ171,172の代わりに上述のト
ランジスタ回路を適用すればよい。更に、図25に示す
検出回路の場合、上部電極A2,A4を上述のトランジ
スタ回路に接続するようにし、このトランジスタ回路に
流れるモニタ電流をマイクロコンピュータ188で監視
するようにすればよい。For example, in the case of the detection circuit shown in FIG.
The above-described transistor circuit may be applied instead of the charge amplifier 171. In the case of the detection circuit illustrated in FIG. 20, the above-described transistor circuit may be used instead of the charge amplifiers 171 and 172. Further, in the case of the detection circuit shown in FIG. 25, the upper electrodes A2 and A4 may be connected to the above-described transistor circuit, and the monitor current flowing through this transistor circuit may be monitored by the microcomputer 188.
【0135】[0135]
【発明の効果】以上のとおり本発明に係る加速度センサ
によれば、平常時の動作モードではモニタ用の副検出素
子に対してのみ電力供給を行い、この副検出素子が所定
レベル以上の加速度を検出したときにのみ、本来の加速
度検出を行う主検出素子への電力供給を行うようにした
ため、低消費電力で動作可能な電子式の加速度センサを
実現できる。As described above, according to the acceleration sensor according to the present invention, in the normal operation mode, power is supplied only to the monitoring sub-detecting element, and this sub-detecting element supplies an acceleration of a predetermined level or more. Since power is supplied to the main detection element that performs actual acceleration detection only when the acceleration is detected, an electronic acceleration sensor operable with low power consumption can be realized.
【図1】従来の一般的な電子式の三次元加速度センサの
基本構成を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing a basic configuration of a conventional general electronic three-dimensional acceleration sensor.
【図2】本発明に係る電子式の三次元加速度センサの基
本構成を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing a basic configuration of an electronic three-dimensional acceleration sensor according to the present invention.
【図3】XYZ三次元座標系において各主検出素子およ
び各副検出素子による検出軸方向を示す概念図である。FIG. 3 is a conceptual diagram showing a detection axis direction by each main detection element and each sub detection element in an XYZ three-dimensional coordinate system.
【図4】2組の副検出素子を用いた加速度センサの基本
構成を示すブロック図である。FIG. 4 is a block diagram showing a basic configuration of an acceleration sensor using two sets of sub-detecting elements.
【図5】複数の主検出素子のうちの一部を副検出素子と
して兼用し、主電力供給手段の一部を副電力供給手段と
して兼用した実施形態の基本構成を示すブロック図であ
る。FIG. 5 is a block diagram showing a basic configuration of an embodiment in which a part of a plurality of main detection elements is also used as a sub-detection element and a part of a main power supply is also used as a sub-power supply.
【図6】副電力供給手段から副検出素子に対する電力供
給を、給電状態と非給電状態とを交互に繰り返すパルス
信号を用いて断続的に行うことを示す波形図である。FIG. 6 is a waveform diagram showing that the power supply from the sub power supply unit to the sub detection element is performed intermittently by using a pulse signal that alternately repeats a power supply state and a non-power supply state.
【図7】圧電素子を用いた基本的な実施例に係る加速度
センサの本体部を斜め上方から見た斜視図である。FIG. 7 is a perspective view of a main body of an acceleration sensor according to a basic embodiment using a piezoelectric element, as viewed obliquely from above.
【図8】図7に示すセンサ本体部を斜め下方から見た斜
視図である。FIG. 8 is a perspective view of the sensor main body shown in FIG. 7 as viewed obliquely from below.
【図9】図7に示すセンサ本体部の上面図である。FIG. 9 is a top view of the sensor body shown in FIG. 7;
【図10】図7に示すセンサ本体部をXZ平面で切った
側断面図である。FIG. 10 is a side sectional view of the sensor main body shown in FIG. 7 cut along an XZ plane.
【図11】図7に示すセンサ本体部の下面図である。FIG. 11 is a bottom view of the sensor main body shown in FIG. 7;
【図12】圧電素子の分極特性の一例を示す側断面図で
ある。FIG. 12 is a side sectional view showing an example of polarization characteristics of a piezoelectric element.
【図13】図7に示すセンサ本体部にX軸方向の力Fx
(X軸方向の加速度に基づく力)が作用した場合の撓み
状態を示す側断面図である。FIG. 13 shows a force Fx applied to the sensor body shown in FIG. 7 in the X-axis direction.
FIG. 9 is a side cross-sectional view showing a bent state when (force based on acceleration in the X-axis direction) acts.
【図14】図7に示すセンサ本体部にZ軸方向の力Fz
(Z軸方向の加速度に基づく力)が作用した場合の撓み
状態を示す側断面図である。14 shows a force Fz in the Z-axis direction applied to the sensor main body shown in FIG. 7;
It is a side sectional view showing the state of bending when (force based on acceleration in the direction of the Z-axis) acts.
【図15】図9に示す電極配置をもつセンサ本体部に対
して、力Fx,Fy,Fzのそれぞれが作用した場合
に、各上部電極に発生する電荷の極性を示す図表であ
る。FIG. 15 is a table showing polarities of electric charges generated in each upper electrode when each of forces Fx, Fy, and Fz acts on the sensor main body having the electrode arrangement shown in FIG. 9;
【図16】図9に示す電極配置をもつセンサ本体部を用
いて加速度検出を行うための検出回路を示す回路図であ
る。FIG. 16 is a circuit diagram showing a detection circuit for performing acceleration detection using the sensor main body having the electrode arrangement shown in FIG.
【図17】図9に示す電極配置をもつセンサ本体部を用
いて、より実用的な加速度検出を行うための検出回路を
示す回路図である。17 is a circuit diagram showing a detection circuit for performing more practical acceleration detection using the sensor main body having the electrode arrangement shown in FIG.
【図18】2組の副検出素子を有する加速度センサ本体
部を示す上面図である。FIG. 18 is a top view showing an acceleration sensor main body having two sets of sub-detecting elements.
【図19】図18に示す電極配置をもつセンサ本体部に
対して、力Fx,Fy,Fzのそれぞれが作用した場合
に、各上部電極に発生する電荷の極性を示す図表であ
る。FIG. 19 is a table showing the polarities of electric charges generated in each upper electrode when each of the forces Fx, Fy, Fz acts on the sensor main body having the electrode arrangement shown in FIG. 18;
【図20】図18に示す電極配置をもつセンサ本体部を
用いて加速度検出を行うための検出回路を示す回路図で
ある。20 is a circuit diagram showing a detection circuit for performing acceleration detection using the sensor main body having the electrode arrangement shown in FIG.
【図21】2組の副検出素子を有する別な加速度センサ
本体部を示す上面図である。FIG. 21 is a top view showing another acceleration sensor main body having two sets of sub-detecting elements.
【図22】図21に示す電極配置をもつセンサ本体部に
対して、力Fx,Fy,Fzのそれぞれが作用した場合
に、各上部電極に発生する電荷の極性を示す図表であ
る。FIG. 22 is a table showing polarities of electric charges generated in each upper electrode when each of the forces Fx, Fy, Fz acts on the sensor main body having the electrode arrangement shown in FIG. 21;
【図23】主検出素子と副検出素子との一部兼用を行っ
た圧電素子を用いた加速度センサ本体部を示す上面図で
ある。FIG. 23 is a top view showing an acceleration sensor main unit using a piezoelectric element that partially serves as a main detection element and a sub detection element.
【図24】図23に示す電極配置をもつセンサ本体部に
対して、力Fx,Fy,Fzのそれぞれが作用した場合
に、各上部電極に発生する電荷の極性を示す図表であ
る。FIG. 24 is a table showing the polarities of electric charges generated in each upper electrode when each of the forces Fx, Fy, Fz acts on the sensor main body having the electrode arrangement shown in FIG. 23;
【図25】図23に示す加速度センサ本体部に適用すべ
き検出回路を示す回路図である。FIG. 25 is a circuit diagram showing a detection circuit to be applied to the acceleration sensor body shown in FIG.
【図26】ピエゾ抵抗素子を用いた実施例に係る加速度
センサの本体部を示す上面図である。FIG. 26 is a top view showing a main body of an acceleration sensor according to an embodiment using a piezoresistive element.
【図27】図26に示すセンサ本体部をXZ平面で切っ
た側断面図である。FIG. 27 is a side sectional view of the sensor main body shown in FIG. 26 cut along an XZ plane.
【図28】図26に示す加速度センサ本体部に適用すべ
き検出回路を示す回路図である。FIG. 28 is a circuit diagram showing a detection circuit to be applied to the acceleration sensor main body shown in FIG. 26;
【図29】容量素子を用いた実施例に係る加速度センサ
の本体部を構成する可撓性基板310の上面図である。FIG. 29 is a top view of a flexible substrate 310 constituting a main body of an acceleration sensor according to an embodiment using a capacitive element.
【図30】容量素子を用いた実施例に係る加速度センサ
の本体部を構成する固定基板320の下面図である。FIG. 30 is a bottom view of a fixed substrate 320 constituting a main body of the acceleration sensor according to the embodiment using the capacitive element.
【図31】容量素子を用いた実施例に係る加速度センサ
の本体部の側断面図である。FIG. 31 is a side sectional view of a main body of an acceleration sensor according to an embodiment using a capacitance element.
【図32】図31に示すセンサ本体部にX軸方向の力F
x(X軸方向の加速度に基づく力)が作用した場合の撓
み状態を示す側断面図である。32 shows a force F in the X-axis direction applied to the sensor main body shown in FIG. 31.
It is a sectional side view which shows the bending state when x (force based on the acceleration of the X-axis direction) acts.
【図33】図31に示すセンサ本体部にZ軸方向の力F
z(Z軸方向の加速度に基づく力)が作用した場合の撓
み状態を示す側断面図である。33 shows a force F in the Z-axis direction applied to the sensor main body shown in FIG. 31.
It is a side sectional view showing the state of bending when z (force based on acceleration in the Z-axis direction) acts.
【図34】図31に示す加速度センサ本体部に適用すべ
き検出回路を示す回路図である。FIG. 34 is a circuit diagram showing a detection circuit to be applied to the acceleration sensor main body shown in FIG. 31.
【図35】検出素子と副検出素子との一部兼用を行った
容量素子を用いた加速度センサの電極配置を示す上面図
である。FIG. 35 is a top view showing an electrode arrangement of an acceleration sensor using a capacitance element that partially serves as a detection element and a sub detection element.
【図36】図35に示す加速度センサ本体部に適用すべ
き検出回路を示す回路図である。FIG. 36 is a circuit diagram showing a detection circuit to be applied to the acceleration sensor body shown in FIG. 35;
【図37】副検出素子からの信号をMOSトランジスタ
を用いて取り出す検出回路を示す回路図である。FIG. 37 is a circuit diagram showing a detection circuit that extracts a signal from a sub-detection element using a MOS transistor.
【図38】副検出素子からの信号をバイポーラトランジ
スタを用いて取り出す検出回路を示す回路図である。FIG. 38 is a circuit diagram showing a detection circuit that extracts a signal from a sub-detection element using a bipolar transistor.
11…X軸方向主検出素子 12…Y軸方向主検出素子 13…Z軸方向主検出素子 20,25…主電力供給手段 30…支持手段 40…副検出素子 41…第1の副検出素子 42…第2の副検出素子 50,55…副電力供給手段 60…制御手段 110…圧電素子 111…中心部 112…可撓部 113…周囲部 115…環状溝 118…局在的な分極処理がなされた圧電素子 130…主検出素子群 131〜138…Q/V変換回路 141〜143…演算器 150…副検出素子 151…Q/V変換回路 160…主検出素子群 161〜163…チャージアンプ 170…副検出素子 171,172…チャージアンプ 175…副検出素子群 180,185,188…マイクロコンピュータ 181,182,183…制御スイッチ 190…主検出素子群 191〜195…チャージアンプ 196〜198…演算器 210…単結晶半導体基板 211…中心部 212…可撓部 213…周囲部 215…環状溝 221〜223…アンプ回路 230…マイクロコンピュータ 310…可撓性基板 320…固定基板 330…重錘体 340…センサ筐体 350…主検出素子群 351〜355,352a,354a…C/V変換回路 356〜358…演算器 359…主検出素子群 360…副検出素子群 361,362…C/V変換回路 370,375…マイクロコンピュータ 410…圧電素子 420,430…マイクロコンピュータ A,A1〜A11…上部電極 B…下部電極 Brx,Bry,Brz…ブリッジ回路 C,C1〜C7…容量素子 Dm11,Dm12,Dm21,Dm22…モニター用
検出軸方向 Dx,Dy,Dz…加速度の検出軸方向 E…電源 E0,E1〜E7…電極 Ep…パルス信号 e…電源入力端子 Fx…X軸方向に作用する力 Fz…Z軸方向に作用する力 im,im1,im2…モニタ用電流 L…サンプリング周期 P…中心部の重心 R…抵抗素子 Rx1〜Rx4,Ry1〜Ry4,Rz1〜Rz4…ピ
エゾ抵抗素子 Rm1,Rm2…モニタ用ピエゾ抵抗素子 Tc…制御信号出力端子 Te…電力供給用端子 Tm,Tm1,Tm2…モニター加速度成分の検出値が
得られる端子 Toff …遮断信号出力端子 Tp,Tp1,Tp2…パルス信号供給端子 TR1…P型MOSトランジスタ TR2…N型MOSトランジスタ TR3…バイポーラトランジスタ Tx,Ty,Tz…加速度のX軸,Y軸,Z軸成分の検
出値が得られる端子 W…パルス信号のパルス幅 W1,W2…配置軸 X1,X2,X3,X4…X軸上の位置 αx…加速度のX軸方向成分 αy…加速度のY軸方向成分 αz…加速度のZ軸方向成分 αm,αm1,αm2…モニター加速度成分DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... X-axis direction main detection element 12 ... Y-axis direction main detection element 13 ... Z-axis direction main detection element 20, 25 ... main power supply means 30 ... support means 40 ... sub-detection element 41 ... 1st sub-detection element 42 .. Second sub-detecting elements 50, 55 sub-power supply means 60 control means 110 piezoelectric element 111 central part 112 flexible part 113 peripheral part 115 annular groove 118 local polarization processing is performed. Piezoelectric element 130 ... main detection element group 131-138 ... Q / V conversion circuit 141-143 ... calculator 150 ... sub-detection element 151 ... Q / V conversion circuit 160 ... main detection element group 161-163 ... charge amplifier 170 ... Sub-detection elements 171,172 Charge amplifier 175 Sub-detection element group 180,185,188 Microcomputer 181,182,183 Control switch 190 Main detection Output element group 191 to 195 Charge amplifier 196 to 198 Arithmetic unit 210 Single crystal semiconductor substrate 211 Central part 212 Flexible part 213 Peripheral part 215 Annular groove 221 to 223 Amplifier circuit 230 Microcomputer 310 Flexible substrate 320 Fixed substrate 330 Weight body 340 Sensor housing 350 Main detection element group 351-355, 352a, 354a C / V conversion circuit 356-358 Computing device 359 Main detection element group 360 ... Sub-detection element group 361, 362 C / V conversion circuit 370, 375 microcomputer 410 piezoelectric element 420, 430 microcomputer A, A1 to A11 upper electrode B lower electrode Brx, Bry, Brz bridge circuit C, C1 to C7 ... Capacitance elements Dm11, Dm12, Dm21, Dm22 ... Detection axis direction for monitor Dx, Dy, Dz: Detection axis direction of acceleration E: Power supply E0, E1 to E7: Electrode Ep: Pulse signal e: Power supply input terminal Fx: Force acting in the X-axis direction Fz: In the Z-axis direction Acting forces im, im1, im2: monitor current L: sampling period P: center of gravity R: resistive elements Rx1 to Rx4, Ry1 to Ry4, Rz1 to Rz4: piezoresistive elements Rm1, Rm2: monitor piezoresistive elements Tc: control signal output terminal Te: power supply terminal Tm, Tm1, Tm2: terminal from which a detected value of a monitor acceleration component is obtained Toff: cutoff signal output terminal Tp, Tp1, Tp2: pulse signal supply terminal TR1: P-type MOS transistor TR2: N-type MOS transistor TR3: Bipolar transistor Tx, Ty, Tz: X-axis, Y-axis, and Z-axis components of acceleration Terminal at which a detected value of minute is obtained W: Pulse width of pulse signal W1, W2: Positioning axis X1, X2, X3, X4: Position on X axis αx: X-axis component of acceleration αy: Y-axis component of acceleration αz: Z-axis component of acceleration αm, αm1, αm2: Monitor acceleration component
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI G01V 1/18 G01V 1/18 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code FI G01V 1/18 G01V 1/18
Claims (10)
る複数の主検出素子と、これら主検出素子に対して電力
を供給する主電力供給手段と、前記複数の主検出素子を
それぞれの検出軸方向が互いに異なるような配置となる
ように支持する支持手段と、を備え、前記各主検出素子
に対して前記主電力供給手段から電力供給を行うことに
より、複数の検出軸方向の加速度成分をそれぞれ独立し
た電気信号として出力する機能をもった加速度センサに
おいて、 予め設定したモニター用検出軸方向の加速度成分を検出
できるように前記支持手段によって支持された副検出素
子と、 前記副検出素子により検出される加速度成分が電気信号
として出力されるように、前記副検出素子に対して電力
を供給する副電力供給手段と、 前記副電力供給手段に対しては、センサ動作中の期間に
おける少なくとも前記主電力供給手段が電力供給を行っ
ていない期間は、電力供給を行うよう制御し、前記主電
力供給手段に対しては、前記副検出素子の出力する電気
信号が所定のしきい値レベル以上の場合にのみ、電力供
給を行うよう制御する制御手段と、 を更に設けたことを特徴とする加速度センサ。1. A plurality of main detecting elements for detecting an acceleration component in a predetermined detection axis direction, main power supply means for supplying electric power to these main detecting elements, and detecting the plurality of main detecting elements respectively. Supporting means for supporting the axial direction different from each other, by supplying power from the main power supply means to each of the main detecting elements, a plurality of acceleration components in the detection axis direction In the acceleration sensor having the function of outputting as independent electric signals, a sub-detection element supported by the support means so as to be able to detect a predetermined acceleration component in the detection axis direction for monitoring, and the sub-detection element A sub-power supply unit that supplies power to the sub-detection element, such that the detected acceleration component is output as an electric signal. In a period during which the sensor is operating, at least during a period when the main power supply unit is not supplying power, control is performed to supply power, and the output of the sub-detection element is output to the main power supply unit. Control means for performing control so as to supply power only when the electric signal is equal to or higher than a predetermined threshold level.
て、 複数組の副検出素子を、それぞれのモニター用検出軸方
向が互いに異なるような配置となるように、支持手段に
よって支持したことを特徴とする加速度センサ。2. The acceleration sensor according to claim 1, wherein a plurality of sets of the sub-detecting elements are supported by supporting means such that the respective monitoring detection axis directions are different from each other. Acceleration sensor.
において、 複数の主検出素子のうちの一部を副検出素子として兼用
し、主電力供給手段の一部を副電力供給手段として兼用
することを特徴とする加速度センサ。3. The acceleration sensor according to claim 1, wherein a part of the plurality of main detection elements is also used as a sub-detection element, and a part of the main power supply is also used as a sub-power supply. An acceleration sensor characterized in that:
センサにおいて、 副電力供給手段による電力供給を、所定のサンプリング
周期をもったパルス信号を用いて断続的に行うことを特
徴とする加速度センサ。4. The acceleration sensor according to claim 1, wherein the power supply by the sub-power supply unit is performed intermittently by using a pulse signal having a predetermined sampling cycle. Acceleration sensor.
センサにおいて、 中心部と周辺部とのいずれか一方がセンサ筐体に固定さ
れ、他方に重錘体が形成された可撓性をもった基板によ
り支持手段を構成し、 前記可撓性基板の中心部に原点Oを定め、基板主面がX
Y平面に含まれるようにXYZ三次元座標系を定義した
ときに、前記基板のX軸の正の部分の応力もしくは変位
を検出する第1の検出器と、前記基板のX軸の負の部分
の応力もしくは変位を検出する第2の検出器と、前記基
板のY軸の正の部分の応力もしくは変位を検出する第3
の検出器と、前記基板のY軸の負の部分の応力もしくは
変位を検出する第4の検出器と、を設け、 前記第1の検出器と前記第2の検出器とによりX軸方向
を検出軸方向とする主検出素子を構成し、前記第3の検
出器と前記第4の検出器とによりY軸方向を検出軸方向
とする主検出素子を構成し、 更に、前記基板の任意の一部分の応力もしくは変位を検
出する補助検出器を設け、この補助検出器により副検出
素子を構成したことを特徴とする加速度センサ。5. The acceleration sensor according to claim 1, wherein one of a central portion and a peripheral portion is fixed to a sensor housing, and a weight is formed on the other. The origin is defined at the center of the flexible substrate, and the main surface of the substrate is X.
A first detector for detecting a stress or a displacement of a positive portion of the X-axis of the substrate when the XYZ three-dimensional coordinate system is defined so as to be included in the Y plane; and a negative portion of the X-axis of the substrate. A second detector for detecting the stress or displacement of the substrate, and a third detector for detecting the stress or displacement of the positive portion of the substrate on the Y axis.
And a fourth detector for detecting a stress or a displacement of a negative portion of the substrate on the Y-axis. The X-axis direction is determined by the first detector and the second detector. Forming a main detection element having a detection axis direction, wherein the third detector and the fourth detector constitute a main detection element having a Y-axis direction as a detection axis direction; An acceleration sensor comprising an auxiliary detector for detecting a partial stress or displacement, and a sub-detection element constituted by the auxiliary detector.
て、 重錘体にZ軸方向の力が作用したときに可撓性基板に生
じる応力もしくは変位を検出する検出器を更に設け、こ
の検出器によりZ軸方向を検出軸方向とする主検出素子
を構成したことを特徴とする加速度センサ。6. The acceleration sensor according to claim 5, further comprising a detector for detecting a stress or displacement generated on the flexible substrate when a force in the Z-axis direction is applied to the weight body. An acceleration sensor comprising a main detection element having a detection axis direction in the Z-axis direction.
センサにおいて、 加速度の作用により応力が加わるように構成された圧電
素子の基板を支持手段として用い、 この圧電素子の所定部分に発生する電荷を検出する電極
と、この電極で検出された電荷量を電気信号として出力
する電子回路と、によって各検出素子を構成したことを
特徴とする加速度センサ。7. The acceleration sensor according to claim 1, wherein a substrate of a piezoelectric element configured to apply a stress by the action of acceleration is used as a supporting means, and the acceleration is generated at a predetermined portion of the piezoelectric element. An acceleration sensor comprising: an electrode for detecting an electric charge to be generated; and an electronic circuit for outputting the amount of electric charge detected by the electrode as an electric signal.
センサにおいて、 加速度の作用により応力が加わるように構成された単結
晶基板を支持手段として用い、 この単結晶基板上の所定位置に形成されたピエゾ抵抗素
子と、このピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化を電気信号と
して出力する電子回路と、によって各検出素子を構成し
たことを特徴とする加速度センサ。8. The acceleration sensor according to claim 1, wherein a single crystal substrate configured to apply a stress by the action of acceleration is used as a support means, and is provided at a predetermined position on the single crystal substrate. An acceleration sensor, wherein each detection element is constituted by the formed piezoresistive element and an electronic circuit that outputs a change in the resistance value of the piezoresistive element as an electric signal.
センサにおいて、 加速度の作用により撓みが生じるように構成された可撓
性基板と、この可撓性基板に対向する位置に配置された
固定基板と、によって支持手段を構成し、 前記可撓性基板上の所定位置に配置された変位電極と、
前記固定基板上の所定位置に配置された固定電極と、に
よって容量素子を構成し、 前記容量素子と、前記容量素子の容量値の変化を電気信
号として出力する電子回路と、によって各検出素子を構
成したことを特徴とする加速度センサ。9. The acceleration sensor according to claim 1, wherein the flexible substrate is configured to be bent by the action of acceleration, and is disposed at a position facing the flexible substrate. A fixed substrate, comprising a supporting means, a displacement electrode disposed at a predetermined position on the flexible substrate,
A fixed electrode arranged at a predetermined position on the fixed substrate forms a capacitive element, and the capacitive element and an electronic circuit that outputs a change in the capacitance value of the capacitive element as an electrical signal, An acceleration sensor characterized by comprising.
て、 副検出素子を構成する圧電素子に発生した電荷に基づい
てON/OFF動作するトランジスタを設け、このトラ
ンジスタに流れる電流を副検出素子からの電気信号とし
て取り出すことを特徴とする加速度センサ。10. The acceleration sensor according to claim 7, further comprising: a transistor that performs an ON / OFF operation based on a charge generated in a piezoelectric element that constitutes a sub-detection element, and supplies a current flowing through the transistor from the sub-detection element. An acceleration sensor, which is extracted as an electric signal.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP8353562A JPH10177032A (en) | 1996-12-17 | 1996-12-17 | Acceleration sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP8353562A JPH10177032A (en) | 1996-12-17 | 1996-12-17 | Acceleration sensor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH10177032A true JPH10177032A (en) | 1998-06-30 |
Family
ID=18431682
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP8353562A Pending JPH10177032A (en) | 1996-12-17 | 1996-12-17 | Acceleration sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH10177032A (en) |
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- 1996-12-17 JP JP8353562A patent/JPH10177032A/en active Pending
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