JPH1078450A - 圧電センサの信号処理回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】衝撃検知装置などに用いられる圧電センサの信
号処理回路において、圧電センサの静電容量が小さい場
合にも、入力部に高抵抗を用いることなく、入力部のカ
ットオフ周波数より低い周波数領域においても、高周波
領域と同様な出力電圧を得ることが可能な圧電センサの
信号処理回路を提供する。 【解決手段】圧電センサ１の静電容量Ｃ２１と入力部の
抵抗Ｒ１からなるハイパスフィルタ１の時定数と、電界
効果型トランジスタＦＥＴのドレインと電源Ｖの間に設
けるインピーダンスＺ１の高周波側の時定数が実質上一
致するような回路を信号処理回路として用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電センサの信号
処理回路に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、電子機器の小型が進み、ノート型
パソコン等の携帯用電子機器が普及してきた。これらの
電子機器の衝撃に対する信頼性を確保・向上するため
に、小型で表面実装可能な高性能の加速度（衝撃）セン
サへの需要が高まっている。例えば、高密度のハードデ
ィスクへの書き込み動作中に衝撃が加わると、ヘッドの
位置ずれが生じる。その結果、データの書き込みエラー
やヘッドの破損を引き起こす可能性がある。そこで、ハ
ードディスクに加わった衝撃を検出し、書き込み動作を
停止したり、ヘッドを安全な位置に退避させる必要があ
る。

【０００３】また、自動車の衝突時の衝撃から搭乗者を
保護するためのエアバック装置の衝撃検知用加速度セン
サなどの需要も高まっている。

【０００４】加速度センサとしては、圧電セラミック等
の圧電材料を用いたものが知られている。これらの加速
度センサは、圧電材料の電気−機械変換特性を利用する
ことによって、高い検出感度を実現することができる。
また圧電型のセンサは、小型化が可能で、表面実装可能
な素子も作成でき、しかも安価にでき、圧電型の加速度
センサは、加速度や振動による力を圧電効果によって電
圧に変換し出力できる。

【０００５】従来の圧電型加速度センサの信号処理回路
を図１９に示す。加速度を計測する圧電センサ５は電界
効果型トランジスタ（以下ＦＥＴ）を用いたソース接地
増幅回路で信号処理される。この回路では、Ｒ４２とＲ
４３をほぼ同じ抵抗値した場合、回路の利得はほぼ０ｄ
Ｂであり、圧電センサ４の有する感度が増幅されること
なく出力される。

【０００６】図２０に示す様なソースフォロワ回路を用
いる場合もある。このソースフォロワ回路では、回路の
利得はほぼ０ｄＢである。

【０００７】図２１は、図１９の回路を用いて測定した
１Ｇの加速度に対する出力電圧の周波数特性である。加
速度の周波数が１．６ｋＨｚ以下では出力電圧が大きく
低下しており、一定以上の衝撃、加速度を検知する装置
に用いるには、周波数依存性が大きすぎるため用いるこ
とができない。

【０００８】図１９の回路において、低周波側の出力周
波数範囲は、加速度センサの有する静電容量Ｃ４１と圧
電センサ５と並列に接続された抵抗Ｒ４１（Ｒ５１）か
らなるハイパスフィルタ５（６）の時定数（１／ωｓ）
より求まるカットオフ周波数で決まる。ハイパスフィル
タのカットオフ周波数ｆhcは、（数１７）である。

【０００９】

【数１７】

【００１０】一般に圧電センサの静電容量は形状に依存
するが、圧電セラミックを用いて作製された圧電センサ
は数１００ｐＦであり、ニオブ酸リチウムなどの圧電単
結晶を用いて作製された圧電センサでは数１０ｐＦであ
る。

【００１１】抵抗Ｒ４１、Ｒ５１などゲート抵抗として
汎用に用いられているチップ抵抗を用いる場合、１Ｍ〜
１０ＭΩ程度である。したがって、圧電セラミックを用
いた圧電センサの場合、カットオフ周波数は、数１００
Ｈｚ程度になり、圧電単結晶を用いた圧電センサでは数
ｋＨｚになる。

【００１２】図２１の出力電圧は、静電容量が１０ｐＦ
の圧電単結晶を用いた圧電センサを図１９の回路で測定
したものあり、Ｒ４１は１０ＭΩを用いた。このときの
ハイパスフィルタ５（６）のカットオフ周波数は約１．
６ｋＨＺであり、出力電圧の低下は、ハイパスフィルタ
によるものである。

【００１３】以上のように圧電センサの測定可能な周波
数の下限は、圧電センサの容量とこれと接続される抵抗
値によって決まり、低周波側では出力が低下する。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上述の圧電センサの信
号処理回路を用いた場合、カットオフ周波数より低い周
波数の加速度に対しては、出力電圧が低下するという問
題を有している。

【００１５】すなわち、同じ大きさの加速度が圧電セン
サに加わった場合でも、周波数の低い加速度の場合、高
い周波数の加速度より低い電圧しか信号処理回路から出
力されない。一定以上の加速度や、衝撃を検知する装置
に、このような圧電センサと信号処理回路を用いる場
合、感度の周波数依存性が小さい方が好ましい。たとえ
ば、ハードディスク装置に圧電センサを用いた衝撃検知
装置を組み込み、一定以上の衝撃が加わった時に、情報
の書き込みを停止し、ヘッドを退避する場合、ヘッドを
退避する衝撃の大きさに相当する電圧があらかじめ設定
されるが、衝撃検出装置の信号処理回路が上述のような
回路の場合、低周波の衝撃を検知できないか、あるいは
高周波の衝撃に対しては、安全な衝撃より小さな衝撃に
対しても検知してヘッドを退避させてしまうという問題
がある。

【００１６】その問題を解決するため、加速度と並列に
接続する抵抗Ｒ４１（Ｒ５１）を大きくすることによ
り、カットオフ周波数ｆｈｃを小さくし、低周波まで一
定の出力を得るという方策はある。しかしながら、１０
ＭΩを越える抵抗はかなり高価である。また、実装する
基板の漏れ電流などにも特別の注意を払わなければ、高
抵抗を得られないという課題がある。

【００１７】あるいは上記問題を解決するため、加速度
センサの静電容量Ｃ１を大きくするという方策はある。
圧電加速度センサの静電容量は材料が同一の場合、圧電
体の厚さが薄いほど大きく、面積が広いほど大きくな
る。圧電体を薄くすればよいが、薄くなれば機械的強度
が低下し割れやすくなり、また工程上でも扱いにくくな
るという問題がある。また、面積を大きくすると小型化
が難しくなる。さらに、圧電体の形状は、測定周波数帯
と密接に関係する共振周波数を決定するため、圧電セン
サの形状を容易に変更することはできないという課題を
有している。

【００１８】本発明は、上記課題に鑑みてなされたもの
であり、高抵抗を用いることなく、低周波数域まで、一
定の加速度の大きさに対して、出力電圧が低下すること
なく、平坦な出力電圧の周波数特性を得ることができる
圧電センサの信号処理回路を提供することを目的とす
る。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明の圧電センサの信
号処理回路は、ソース接地増幅回路であって、圧電セン
サの有する静電容量と圧電センサと接続される抵抗で構
成されるフィルタのカットオフ周波数と電界効果トラン
ジスタのドレインに接続したインピーダンスによる高周
波域のカットオフ周波数を実質上同じとする、そのこと
によって、上記目的を達成することができる。

【００２０】また、圧電センサの信号処理回路は、ソー
スフォロワ回路であって、圧電センサの有する静電容量
と圧電センサに並列に接続される抵抗で構成されるフィ
ルタの時定数と電界効果トランジスタのソースに接続し
たインピーダンスの時定数を同じとする、そのことによ
って、上記目的を達成することができる。

【００２１】また、圧電センサの信号処理回路は、前記
圧電センサの静電容量と、電界効果型トランジスタのゲ
ートに接続された抵抗からなるフィルタの時定数で決ま
るカットオフ周波数が測定しようとする周波数範囲の上
限と実質上一致し、前記電界効果型トランジスタのドレ
インと電源の間にに接続されたインピーダンスの時定数
で決まるカットオフ周波数が、前記測定しようとする周
波数範囲の下限に実質上一致する、そのことによって、
上記目的を達成することができる。

【００２２】以上説明したように、本発明は、圧電セン
サの静電容量が小さい場合にも、入力部に高い抵抗を用
いることなく、同じ加速度の衝撃が加わった場合には、
圧電センサと抵抗からなる入力部のハイパスフィルタの
カットオフ周波数より低周波領域まで高周波領域とほぼ
同じように出力電圧を得ることができ、低周波の衝撃を
検知することができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図１から図１８を用いて説明する。

【００２４】（実施の形態１）図１に本発明の実施の形
態である圧電センサの信号処理回路を示す。図１におい
て、Ｖは直流電源電圧を示し、Ｃ３は電源の高周波ノイ
ズをのぞくための電源のデカップリング・コンデンサで
ある。加速度、衝撃を測定する圧電センサ１は静電容量
Ｃ１を有し、その出力は電界効果トランジスタ２のゲー
トへ入力される。ゲートと接地間には、バイアス用の抵
抗Ｒ１が接続されている。電界効果トランジスタのドレ
インと電源の間には、抵抗Ｒ４とＣ４が並列に、これら
と抵抗Ｒ２とが直列に接続されている。これをインピー
ダンスＺ１とする。出力は、カップリングコンデンサＣ
２を通して電界効果トランジスタ２のドレインから得
る。

【００２５】本実施の形態において、圧電センサ１は、
圧電単結晶であるニオブ酸リチウムを用いたものであ
り、静電容量Ｃ１は１０ｐＦ、共振周波数は約２０kHz
である。圧電センサ１の感度は５ｍＶ／Ｇである。抵抗
Ｒ１は、一般的に容易に用いることのできる１０ＭΩと
した。Ｃ１とＲ１により構成されるハイパスフィルタの
時定数ωｓは、０．１ｍｓで、カットオフ周波数ｆｓは
１．６ｋＨｚである。

【００２６】図１の信号処理回路の利得の周波数を調べ
るため、まず図２に示す回路のように、圧電センサを除
き交流信号源を接続して測定した。図３（ａ）に図２の
回路の利得の周波数特性を示す。図２の回路において、
抵抗Ｒ４と並列にコンデンサＣ４が設けられているた
め、ある周波数領域での回路の利得が低下し、高周波域
では一定の利得となる。利得が低下する周波数領域はイ
ンピーダンスＺ１の時定数により決まる。利得が低周波
域の高い値より３ｄＢ低下する低周波側の時定数（１／
ω１）は、（数１）であり、

【００２７】

【数１】

【００２８】このときのカットオフ周波数ｆ１は、（数
２）

【００２９】

【数２】

【００３０】である。

【００３１】また、高周波域でほぼ一定となる利得より
３ｄＢ高くなる高周波側の時定数（１／ω２）は、（数
３）であり、

【００３２】

【数３】

【００３３】このときのカットオフ周波数ｆ１は、（数
４）

【００３４】

【数４】

【００３５】である。

【００３６】インピーダンスＺ１のＲ２、Ｒ４、Ｃ４
は、Ｒ１とＣ１からなるハイパスフィルタ１の時定数ω
ｓと上述のω２とほぼ一致するように定めた。たとえ
ば、Ｒ２を１２ｋΩ、Ｒ４を１５０ｋΩ、Ｃ４を０.０
１μＦとした。ｆ２は1.4kHzで、ｆ１は１００Ｈzであ
る。ｆ２は圧電センサと抵抗Ｒ１からなるハイパスフィ
ルタ１のカットオフ周波数ｆｓの１．５ｋＨzとほぼ等
しい周波数となっている。

【００３７】図２の回路の入力に、図４に示す回路のよ
うに、圧電センサとほぼ同じ静電容量のコンデンサを接
続し、擬似的に圧電センサからの出力される信号に対す
る回路利得の周波数特性を測定した。利得の周波数特性
の測定結果を図３（ｂ）に示す。１００Ｈzでも、高周
波域の−３ｄＢ程度の利得を保持しており、低周波域ま
一定の利得を得た。圧電センサと抵抗Ｒ１からなるハイ
パスフィルタ１のカットオフ周波数より低い周波数の信
号に対する利得が、カットオフ周波数より高い周波数の
利得より高くなっているため、ハイパスフィルタ１によ
る信号の振幅の低下が補われ、総合的な利得は低周波で
も十分大きくなる。

【００３８】図４の回路構成に圧電センサを接続した図
１の回路により、圧電センサに衝撃を加えて出力電圧を
測定した。衝撃の大きさは１Ｇとした。測定結果を図５
に示す。５ｋＨzの出力電圧は１．２mV、１００Ｈzでの
出力電圧は０．８mVであった。１００Ｈzでも十分な出
力が得られており、低周波域まで衝撃の測定が可能であ
った。ここで、１０ｋＨz以上での出力電圧の増大は、
圧電センサの共振周波数に近づくため感度が高くなるた
めである。

【００３９】また、出力電圧が低いのは、信号処理回路
の利得が小さくなったためであるが、衝撃検知装置とし
て用いる場合の実用上問題のない電圧は得ることができ
た。

【００４０】より高い出力電圧を得る必要がある場合に
は、図６に示す回路のようにソースと接地間にコンデン
サＣ５を接続すればよい。コンデンサＣ５は、低周波域
から高い利得がでるよう十分大きな静電容量のものを用
いる。本実施の形態では４７μＦとした。１ｋＨzでの
利得は、約１５ｄＢで、１００Ｈｚでも１２ｄＢを得る
ことができた。図７は、図６の回路を用いて圧電センサ
に１Ｇの加速度を加えた場合の出力電圧である。１００
Ｈｚで２０mV、１ｋＨｚで３０mVを得ることができた。

【００４１】なお、抵抗、コンデンサの値は、上述の値
に限るものでなく、ｆ２の周波数がｆｓと実質上一致す
るよう定めればよい。

【００４２】以上のように、圧電センサとゲートと接地
間に接続される抵抗で構成されるハイパスフィルタのカ
ットオフ周波数と実質上等しくなる周波数より低周波側
で利得が高くなるようドレインー電源間の抵抗を分割
し、分割点と電源の間にコンデンサを設けることによ
り、圧電センサの容量が小さくともゲート抵抗に高い抵
抗値を有する抵抗を用いることなく、低周波の加速度や
衝撃に対しても高い出力電圧を得ることができ、低周波
の加速度、衝撃を検知することができた。

【００４３】（実施の形態２）図８は本発明の他の実施
の形態の加速度センサの信号処理回路の回路図である。
静電容量Ｃ１１が１００ｐＦのニオブ酸リチウムを用い
た圧電センサ２の出力が回路に入力されている。抵抗Ｒ
１１は、１ＭΩであり、圧電センサの静電容量とで構成
される入力部のハイパスフィルタ２の時定数は０．１ｍ
ｓ、カットオフ周波数は１．６ｋＨｚである。よって、
入力部以外の回路の利得の周波数特性が低周波領域でほ
ぼ一定の回路を用いると、１．６ｋＨｚ以下の周波数の
衝撃にたいする回路の出力電圧は小さくなる。圧電セン
サ２の感度は５ｍＶ／Ｇである。出力は、カップリング
コンデンサＣ１２を通して得る。

【００４４】電界効果型トランジスタＦＥＴのドレイン
と電源には抵抗Ｒ１２と並列に抵抗Ｒ１４とコンデンサ
Ｃ１４からなるインピーダンスＺ２が接続されている。

【００４５】圧電センサの静電容量を除いた、すなわち
入力部のハイパスフィルタ２を除いた回路の利得の周波
数特性を測定した結果を図９（ａ）に示す。低周波域
で、コンデンサＣ１４の影響は小さく、入力部のハイパ
スフィルタを除く回路の利得は高い。周波数ｆ３で、回
路の利得は３ｄＢ低下し、周波数ｆ４まで利得は下が
り、ｆ４以上ではほぼ一定となる。ｆ４は高周波域の利
得より、３ｄＢ高くなる周波数である。周波数ｆ３、ｆ
４は、ドレインと電源に接続されたインピーダンス２の
時定数（１／ω３）、（１／ω４）で決まる。

【００４６】（１／ω３）は、（数５）であり、

【００４７】

【数５】

【００４８】ｆ３は（数６）となる。

【００４９】

【数６】

【００５０】（１／ω４）は、（数６）であり、

【００５１】

【数７】

【００５２】ｆ３は（数８）となる。

【００５３】

【数８】

【００５４】圧電センサの静電容量Ｃ１１で構成される
入力部のハイパスフィルタ２による低周波数域での出力
の低下を補うためには、インピーダンス２の時定数でき
まるカットオフ周波数ｆｓとｆ４を実質上一致させれば
よい。

【００５５】たとえば、Ｒ１２を８２ｋΩ、Ｒ１４を１
２ｋΩ、Ｃ１４を０．０１μＦ、Ｒ１３を１２ｋΩとす
ればよい。この場合、ｆ４は１．３ｋＨｚとなり、ほぼ
ｆｓと一致する。

【００５６】圧電センサによるハイパスフィルタを含め
た総合の利得の周波数特性を圧電センサと同じ静電容量
のコンデンサＣ１１を用いて測定した。結果を図９
（ｂ）に示す。１００Ｈｚでも利得の低下は小さい。

【００５７】図８の回路を用いて、圧電センサに１Ｇの
衝撃を加えて出力電圧を測定した。測定結果を図１０に
示す。出力電圧は１００Ｈｚで１．６ｍＶ、１ｋＨｚで
３．０ｍＶと低周波まで出力電圧を得ることができ、衝
撃検知装置として用いることができる。

【００５８】図８の信号処理回路では、出力電圧は圧電
センサの有する感度より低い電圧となるが、圧電センサ
の感度が高ければ実用上問題ではない。

【００５９】より高い出力電圧を得る必要がある場合に
は、図１１に示す回路のようにソースと接地間にコンデ
ンサＣ１５を接続すればよい。コンデンサＣ１５は、低
周波域から高い利得がでるよう十分大きな静電容量のも
のを用いる。本実施の形態では２２μＦとした。１ｋＨ
ｚでの総合利得は、１５ｄＢで出力電圧は１Ｇの衝撃に
対して１５ｍＶの出力を得られた。

【００６０】なお、抵抗、コンデンサの値は、上述の値
に限るものでなく、ｆ４の周波数がｆｓと実質上一致す
るよう定めればよい。さらに好適には、ｆ３とｆ４の差
が大きくなるように選べばより低周波まで測定可能であ
る。

【００６１】以上のように、圧電センサとゲートと接地
間に接続される抵抗で構成されるハイパスフィルタのカ
ットオフ周波数と実質上等しくなる周波数より低周波側
で利得が高くなるようドレインー電源間に抵抗とコンデ
ンサを直列に接続し、該抵抗とコンデンサに並列に他の
抵抗を設けることにより、圧電センサの容量が小さくと
もゲート抵抗に高い抵抗値を有する抵抗を用いることな
く、低周波の加速度や衝撃に対しても出力電圧を得るこ
とができ、加速度、衝撃を検知することができた。

【００６２】（実施の形態３）図１２に本発明の他の実
施の形態の圧電センサの信号処理回路である。電界効果
型トランジスタのドレインが直流電源に、直接接続され
ている。圧電センサ３はニオブ酸リチウムを用いた圧電
センサであり、静電容量は１０ｐＦ、抵抗Ｒ２１は１０
ＭΩである。この入力部のハイパスフィルタ１の時定数
ωｓは、０．１ｍｓで、カットオフ周波数は１．６ｋＨ
ｚである。

【００６３】ソースと接地間には、抵抗Ｒ２３と、これ
と並列にコンデンサＣ２４と抵抗Ｒ２４が直列に接続さ
れてなるインピーダンスＺ３が設けられている。コンデ
ンサＣ２４により、特定の周波数で利得が低下する。こ
の特定周波数領域を入力部のハイパスフィルタのカット
オフ周波数から低周波数側に設定すると、入力部のハイ
パスフィルタによる出力の低下分を補うことができる。

【００６４】図１３（ａ）は、圧電センサの代わりに信
号源を接続し、入力部のハイパスフィルタを構成せず
に、図１５の構成の信号処理回路の利得の周波数特性を
測定した結果である。周波数ｆ５より利得は低下し、周
波数ｆ６より高くなると利得はほぼ一定である。

【００６５】周波数ｆ５、ｆ６は、抵抗Ｒ２３、抵抗２
４とコンデンサＣ２４からなるインピーダンスＺ３の時
定数（１／ω５）、（１／ω６）より決まる。

【００６６】（１／ω５）は（数９）より、

【００６７】

【数９】

【００６８】ｆ５は（数１０）となる。

【００６９】

【数１０】

【００７０】（１／ω６）は（数１１）より、

【００７１】

【数１１】

【００７２】ｆ６は（数１２）となる。

【００７３】

【数１２】

【００７４】ただし、ｇｍは電界効果型トランジスタの
相互コンダクタンスである。

【００７５】本実施の形態では、抵抗Ｒ２３を１２０ｋ
Ω、抵抗Ｒ２４を１００Ω、コンデンサＣ２４を１μＦ
とした。このときのｆ６は１．５ｋＨｚである。したが
て、Ｒ２３、Ｒ２４、Ｃ２４からなるソースに接続され
たインピーダンスの高周波側の時定数（１／ω６）は、
入力部のＣ２１、Ｒ２１からなるハイパスフィルタの時
定数（１／ωｓ）と実質上一致している。

【００７６】圧電センサ３によるハイパスフィルタを含
めた総合の利得の周波数特性を圧電センサと同じ静電容
量のコンデンサＣ２１を用いて測定した。結果を図１３
（ｂ）に示す。１００Ｈｚでも１ｋＨｚに比べて利得の
低下は小さい。

【００７７】図１２の回路を用いて、圧電センサに１Ｇ
の衝撃を加えて出力電圧を測定した。圧電センサは５０
ｍＶ／Ｇの感度を有する。測定結果を図１４に示す。出
力電圧は１００Ｈｚで１．８ｍＶ、１ｋＨｚで２．３ｍ
Ｖと低周波まで出力電圧を得ることができ、衝撃検知装
置として用いることができる。

【００７８】ソースー接地間に接続するインピーダンス
３としては、図１５に示すようにソースにつながる抵抗
をＲ２３、Ｒ２４に分割し、分割点と接地間にコンデン
サＣ２４を設けてもよい。

【００７９】この場合のインピーダンスの時定数（１／
ω７）、（１／ω８）で、カットオフ周波数ｆ７、ｆ８
は決まる。

【００８０】（１／ω７）は（数１３）より、

【００８１】

【数１３】

【００８２】ｆ７は（数１４）となる。

【００８３】

【数１４】

【００８４】（１／ω８）は（数１５）より、

【００８５】

【数１５】

【００８６】ｆ８は（数１６）となる。

【００８７】

【数１６】

【００８８】時定数（１／ω８）が入力部のハイパスフ
ィルタの時定数（１／ωｓ）と一致する様に、抵抗Ｒ２
３、Ｒ２４とコンデンサＣ２４の値を決めることによ
り、図１２の回路と同様に低周波数まで出力電圧を得る
ことができる。

【００８９】なお、抵抗、コンデンサの値は、上述の値
に限るものでなく、ｆ４の周波数がｆｓと実質上一致す
るよう定めればよい。

【００９０】以上のように、圧電センサとゲートと接地
間に接続される抵抗で構成されるハイパスフィルタのカ
ットオフ周波数と実質上等しくなる周波数より低周波側
で利得が高くなるように、ソースー接地間に抵抗とコン
デンサを直列に接続し、該抵抗とコンデンサに並列に他
の抵抗を設け、このインピーダンスの時定数がハイパス
フィルタの時定数と実質上一致させることにより、圧電
センサの容量が小さくともゲート抵抗に高い抵抗値を有
する抵抗を用いることなく、低周波の加速度や衝撃に対
しても出力電圧を得ることができ、加速度、衝撃を検知
することができた。

【００９１】また、圧電センサとゲートと接地間に接続
される抵抗で構成されるハイパスフィルタのカットオフ
周波数と実質上等しくなる周波数より低周波側で利得が
高くなるように、ソースー接地間に抵抗を分割して設
け、該抵抗の分割点と接地間にコンデンサを設け、この
インピーダンスの時定数がハイパスフィルタの時定数と
実質上一致させることにより、圧電センサの容量が小さ
くともゲート抵抗に高い抵抗値を有する抵抗を用いるこ
となく、低周波の加速度や衝撃に対しても出力電圧を得
ることができ、加速度、衝撃を検知することができた。

【００９２】（実施の形態４）図１６に本発明の実施の
形態の圧電センサの信号処理回路の回路図を示す。静電
容量Ｃ３１が１０ｐＦのニオブ酸リチウムを用いた圧電
センサ４に衝撃、加速度が加わった際に発生する出力が
回路に入力されている。抵抗Ｒ３１は、１ＭΩであり、
圧電センサ４の静電容量Ｃ３１とで構成される入力部の
ハイパスフィルタ４の時定数ωｓは、０．０１ｍｓであ
りカットオフ周波数は１５ｋＨｚである。よって、入力
部以外の回路の利得の周波数特性が低周波領域でほぼ一
定の回路を用いると、１５ｋＨｚ以下の周波数の衝撃に
たいする回路の出力電圧は小さくなる。

【００９３】電界効果型トランジスタＦＥＴのドレイン
と電源の間には抵抗Ｒ３２と並列に設けたコンデンサＣ
３４からなるインピーダンスＺ４が接続されている。

【００９４】電界効果型トランジスタＦＥＴのソースと
接地間には抵抗Ｒ３３と並列に設けたコンデンサＣ３５
からなるインピーダンスＺ５が接続されている。コンデ
ンサＣ３５により、利得は高くなる。圧電センサ４の感
度は５０ｍＶ／Ｇである。

【００９５】抵抗Ｒ３４は１５０ｋΩ、Ｒ３３は１２ｋ
Ω、コンデンサＣ３４は０．１μＦ、コンデンサＣ３５
は４７μＦとした。

【００９６】圧電センサの静電容量を除いた、すなわち
入力部のハイパスフィルタを除いた回路の利得の周波数
特性を測定した結果を図１７（ａ）に示す。コンデンサ
Ｃ３４により高周波領域では、回路の利得は小さくな
る。Ｒ３４とＣ３４からなるインピーダンスＺ４の時定
数できまる周波数以下では、周波数が高くなるにつれ、
−６ｄＢ／ｏｃｔで利得は低下していく。この回路にお
ける時定数は１５ｍｓであり、１０Ｈｚ以上では利得は
低下する。

【００９７】また、コンデンサＣ３５と抵抗Ｒ３２から
なるインピーダンスＺ５の時定数は０．５ｓであり、
０．２８Ｈｚより高い周波数では、利得は低下する。

【００９８】入力部のハイパスフィルタ４により、カッ
トオフ周波数以下では、周波数が高くなるにつれ、６ｄ
Ｂ／ｏｃｔで利得が高くなる。よって、ハイパスフィル
タのカットオフ周波数以下では、利得の周波数特性はほ
ぼ一定になる。入力部のハイパスフィルタを含めた回路
の周波数特性を図１７（ｂ）に示す。入力部のハイパス
フィルタ４のカットオフ周波数１５ｋＨｚ以下では、ほ
ぼ一定の利得が得られた。

【００９９】図１６の回路を用いて、圧電センサに１Ｇ
の衝撃を加えて出力電圧を測定した。圧電センサは５０
ｍＶ／Ｇの感度を有する。測定結果を図１８に示す。出
力電圧は１００Ｈｚで２．３ｍＶ、１ｋＨｚで２．５ｍ
Ｖと低周波まで出力電圧を得ることができ、衝撃検知装
置として用いることができる。回路の利得が全体にかな
り低くなるため、圧電センサの有する感度より出力電圧
は低くなる。このため、高感度な圧電センサを用いるこ
とが好ましい。

【０１００】入力部のハイパスフィルタのカットオフ周
波数より高い周波数では、利得が低下するため出力電圧
は低下する。共振部での感度の上昇の影響を除くことが
できる。

【０１０１】また、本実施の形態の回路では、ハイパス
フィルタのカットオフ周波数を測定しようとする周波数
の上限に設定し、電界効果型トランジスタのソースにつ
ながるインピーダンスの時定数で決まる周波数を下限に
選ぶことにより、特定周波数帯のみの出力を得ることが
でき、任意の周波数帯に感度を得ることができる。

【０１０２】以上のように、圧電センサとゲートと接地
間に接続される抵抗で構成されるハイパスフィルタのカ
ットオフ周波数を測定しようとする周波数領域の上限に
設定し、低周波領域から利得が周波数の上昇にともない
利得が低下するようにドレインと電源の間に抵抗とコン
デンサを並列に接続し、このインピーダンスの時定数で
決まる周波数を測定しようとする周波数領域の下限に設
定することにより、圧電センサの容量が小さくともゲー
ト抵抗に高い抵抗値を有する抵抗を用いることなく、低
周波の加速度や衝撃に対しても出力電圧を得ることがで
き、特定の周波数の加速度、衝撃を検知することができ
た。

【０１０３】

【発明の効果】以上述べたところから明らかなように、
本発明は、高価な抵抗を用いることなく、安価な低抵抗
で圧電センサの信号処理回路を得ることができ、広い周
波数に対応できる衝撃検知装置が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の圧電センサの信号処理回
路の回路図である。

【図２】本発明の実施の形態の圧電センサの信号処理回
路の利得の周波数特性測定回路である。

【図３】本発明の実施の形態の圧電センサの信号処理回
路の利得の周波数特性である。

【図４】本発明の実施の形態の圧電センサの信号処理回
路の利得の周波数特性測定回路である。

【図５】本発明の実施の形態の圧電センサの信号処理回
路の出力電圧の周波数特性を示す図である。

【図６】本発明の実施の形態の圧電センサの信号処理回
路の回路図である。

【図７】本発明の実施の形態の圧電センサの信号処理回
路の出力電圧の周波数特性を示す図である。

【図８】本発明の実施の形態の圧電センサの信号処理回
路の回路図である。

【図９】本発明の実施の形態の圧電センサの信号処理回
路の利得の周波数特性測定回路である。

【図１０】本発明の実施の形態の圧電センサの信号処理
回路の出力電圧の周波数特性を示す図である。

【図１１】本発明の実施の形態の圧電センサの信号処理
回路の回路図である。

【図１２】本発明の実施の形態の圧電センサの信号処理
回路の回路図である。

【図１３】本発明の実施の形態の圧電センサの信号処理
回路の利得の周波数特性測定回路である。

【図１４】本発明の実施の形態の圧電センサの信号処理
回路の出力電圧の周波数特性を示す図である。

【図１５】本発明の実施の形態の圧電センサの信号処理
回路の回路図である。

【図１６】本発明の実施の形態の圧電センサの信号処理
回路の回路図である。

【図１７】本発明の実施の形態の圧電センサの信号処理
回路の利得の周波数特性測定回路である。

【図１８】本発明の実施の形態の圧電センサの信号処理
回路の出力電圧の周波数特性を示す図である。

【図１９】従来の圧電センサの信号処理回路の回路図で
ある。

【図２０】従来の圧電センサの信号処理回路の回路図で
ある。

【図２１】従来の圧電センサの信号処理回路の出力電圧
の周波数特性を示す図である。

【符号の説明】

１、２、３、４、５、６ 圧電センサ（ハイパスフィル
タ）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 冨田 佳宏 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 川崎 修 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧電センサと、その圧電センサに接続され
   た増幅回路と、その増幅回路の利得を決定する抵抗と静
   電容量素子の回路とを備え、前記圧電センサの静電容量
   と、前記増幅回路の入力及び接地間に接続された抵抗か
   らなる回路との時定数が、前記記増幅回路の利得を決定
   する抵抗と静電容量素子の回路の時定数に実質上同じで
   あることを特徴とする圧電センサの信号処理回路。
2. 【請求項２】増幅回路は電界効果型トランジスタであ
   り、前記電界効果型トランジスタのドレインと電源の間
   に接続されたインピーダンスが、第１の抵抗、第２の抵
   抗およびコンデンサからなり、前記第１の抵抗とコンデ
   ンサが並列に接続され、前記第２の抵抗が、前記並列に
   接続された前記第１の抵抗とコンデンサに対して、直列
   に接続されてなることを特徴とする請求項１に記載の圧
   電センサの信号処理回路。
3. 【請求項３】電界効果型トランジスタのドレインと電源
   の間に接続されたインピーダンスが、第１の抵抗、第２
   の抵抗およびコンデンサからなり、前記第１の抵抗とコ
   ンデンサが直列に接続され、前記第２の抵抗が、前記直
   列に接続された前記第１の抵抗とコンデンサに対して、
   並列に接続されてなることを特徴とする請求項１に記載
   の圧電センサの信号処理回路。
4. 【請求項４】電界効果型トランジスタのソースと接地間
   に、抵抗とコンデンサが並列に接続されていることを特
   徴とする請求項１に記載の圧電センサの信号処理回路。
5. 【請求項５】圧電センサと、その圧電センサに接続され
   た電界効果型トランジスタとを備え、前記圧電センサの
   静電容量と前記電界効果型トランジスタのゲートに接続
   された抵抗からなるフィルタの時定数と、前記電界効果
   型トランジスタのソースと接地間に接続されたインピー
   ダンスの時定数が実質上同じであることを特徴とする圧
   電センサの信号処理回路。
6. 【請求項６】電界効果型トランジスタのソースと接地間
   に接続されたインピーダンスが、第１の抵抗、第２の抵
   抗およびコンデンサからなり、前記第１の抵抗とコンデ
   ンサが並列に接続され、前記第２の抵抗が、前記並列に
   接続された前記第１の抵抗とコンデンサに対して、直列
   に接続されてなることを特徴とする請求項５に記載の圧
   電センサの信号処理回路。
7. 【請求項７】電界効果型トランジスタのソースと接地間
   に接続されたインピーダンスが、第１の抵抗、第２の抵
   抗およびコンデンサからなり、前記第１の抵抗とコンデ
   ンサが直列に接続され、前記第２の抵抗が、前記直列に
   接続された前記第１の抵抗とコンデンサに対して、並列
   に接続されてなることを特徴とする請求項５に記載の圧
   電センサの信号処理回路。
8. 【請求項８】圧電センサと、その圧電センサに接続され
   た電界効果型トランジスタとを備え、前記圧電センサの
   静電容量及び電界効果型トランジスタのゲートに接続さ
   れた抵抗からなるフィルタの時定数で決まるカットオフ
   周波数が、測定しようとする周波数範囲の上限と実質上
   一致し、前記電界効果型トランジスタのドレインと電源
   の間に接続されたインピーダンスの時定数で決まるカッ
   トオフ周波数が、前記測定しようとする周波数範囲の下
   限に実質上一致することを特徴とする圧電センサの信号
   処理回路。
9. 【請求項９】電界効果型トランジスタのドレインと電源
   の間に接続されたインピーダンスが、抵抗とコンデンサ
   が並列に接続されてなることを特徴とする請求項８に記
   載の圧電センサの信号処理回路。