JPS63195573A - 圧電型加速度センサ− - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、物体の振動などを検出する加速度センサーに
係わり、特にピエゾ効果を応用した圧電型加速度センサ
ーに係わる。

従来の技術 物体に作用する衝撃の検出、振動の測定等のために、物
体の慣性加速度を検出する装置の一加速度センサーが広
くもちいられている。

この加速度センサーには、動作原理、形態の違いによっ
て、動電型、圧電型、光電型、サーボ型環様々なものが
提案され、また実用されている。

そのなかでも、圧電型加速度センサーは構造が簡単で、
小型軽量かつ堅牢という特徴の故に、最も広く用いられ
ているもののうちの一つである。

圧電型加速度センサーとは、チタン酸バリウム。

ジルコン酸塩等の強誘電体セラミクス、あるいは水晶等
が示す、機械的変形をうけると電気信号を発生するとい
う性質−ピエゾ効果を利用するもので、所定の重りに加
わる慣性力をピエゾ素子に作用させてその結果生じる電
気出力を検出して、慣性加速度を求めるものである。

この時、ピエゾ素子から電気信号を取り出す方法として
は開放電圧を取り出す方法と短絡電荷を取り出す方法と
があり、従来の圧電型加速度センサーにおいてはそのい
ずれかの方法を用いている。

発明が解決しようとする問題点 このように構成した圧電型加速度センサーの感度は、単
位作用力当たりに発生する開放電圧、あるいは短絡電荷
に比例することになるが、いずれの場合にもその温度依
存性が問題となる。これは主としてピエゾ素子の材料定
数の温度依存性に起因するものであるが、以下この問題
について記述する。

ピエゾ素子に作用する力と発生電気出力の間には、適当
な方向成分に注目すると以下のような関係が成り立つ。

Ｑ＝Ａ−Ｖ＋Ｂ−Ｆ　　　　　　Ｆ：作用力Ｑ：発生電
荷 Ｖ：発生電圧 ここでＡおよびＢはピエゾ素子の形状、材料定数等によ
って定まる比例係数である。

上式でＱ＝ＯとしたときのＶ（即ち開放電圧）とＦの比
：Ｋｖ、Ｖ＝ＯとしたときのＱ（即ち短絡電荷）とＦの
比二に０がそれぞれのセンサー感度に比例することにな
る。Ｋｖ、に０をＡおよびＢで表すと、 Ｋｖ−Ｂ／Ａ ＱＩ−Ｂ 従ってＡおよびＢが温度によって変動すると、センサー
感度も変わる。このとき、比例定数ＡおよびＢの決定要
素のうち、形状に関するものについては無視できるが材
料定数の温度依存性が問題となる。

−ｍに比例定数ＡおよびＢについて支配的な材料定数は
誘電率二Ｅ！ｌ、圧電率：Ｄｎであり、それらは近位的
に以下のような比例関係で結ばれる。

Ａ閃Ｅ！。

ｏｅＤｎ 従って、 Ｋｖ＝ｃ−Ｄｎ／Ｅ！１＝−Ｇ、１ に０ｃＤ□ この圧電定数Ｇｉ１”３）の温度依存性の典型例を圧電
型加速度センサーによく用いられている圧電セラミクス
について第３図に示す。

従ってこの圧電材料を用いて加速度センサーを構成した
場合その感度は、開放電圧を取り出すような方法を用い
た場合には第３図ｆａｔに示すような、また短絡電荷を
取り出すような方法を用いた場合には第３図ｆｂｌに示
すような温度依存性をもつことになる。

そしてこのような温度依存性−即ら’ｈｌ”３）がそれ
ぞれ温度依存性を持ち、しかもそれが互いに傾きが逆向
きになるという特性はここにあげた例に特異なものでは
なく、程度の差こそあれ圧電材料一般について存在する
。

本発明は、かかる感度の温度依存性の少ない、高精度な
加速度センサーを提供することを目的とする。

問題点を解決するための手段 本発明は上記問題点を解決するため、２枚のピエゾ素子
を、互いに一方の電極面が力学的に結合しかつ電気的に
導通ずるように張合わせたバイモルフ構造素子を用い、
一方のピエゾ素子からその開放電圧に比例した電気信号
を取り出し、他方のピエゾ素子からはその短絡電荷に比
例した電気信号を取り出して、これを加算することによ
り上記の目的を達するものである。

作用 以上のような手段によれば、材料定数の温度依存性を相
殺して、温度の変動に対して感度の変化の小さい高精度
な加速度センサーを実現することができる。

実施例 以下本発明の一実施例について図面を用いて説明する。

第１図は本発明の圧電型加速度センサーの一実施例を示
すブロック図である。

第１図において１ａ、１ｂは各々両面に電極を形成した
等しい形状、材質を有する一対のピエゾ素子であり、２
は前記２枚のピエゾ素子の夫々の一方の面と力学的に結
合するとともに電気的に導通する金属板で全体としてバ
イモルフ構造素子を形成しており、さらに、このバイモ
ルフ構造素子は、固定部材３によって支持され片持ち梁
構造をなしている。

また、４は１ａのピエゾ素子の開放電圧に比例した出力
を発生する電圧増幅器であり、５はｌｂのピエゾ素子の
短絡電荷に比例した出力を発生する電荷増幅器であり、
４の電圧増幅器、５の電荷増幅器の出力は、６の加算器
によってそれぞれＫａ、Ｋｂの重み付けで加算される。

このような構成で固定部材３に慣性加速度が生じると前
記バイモルフ素子にはこの慣性加速度に伴う反力として
の慣性力が作用して撓みを生じ、ｌａ、ｌｂのピエゾ素
子はそれにみあった電気信号を発生するが、その感度は
これを開放電圧として取り出した場合、および短絡電荷
として取り出した場合、それぞれ圧電定数Ｇｎ、Ｄｎの
温度特性に付随して温度依存性をもつ。

この温度依存性は第３図に示したようなものになるので
、互いにその変化を打ち消すように電圧増幅器のゲイン
、電荷増幅器のゲインおよび加算器の重み付けの比を設
定することによって、温度変化に対する感度変化が、電
圧増幅器または電荷増幅器を単独で用いた場合に比べて
はるかに小さくすることができる。

例えば従来の技術の説明において例に上げた圧電セラミ
クスを用いた場合にはその傾きの絶対値が常温付近にお
いてり、Ｉの方が約１．５倍大きいので、常温付近にお
いて電圧増幅したものと電荷増幅したものの感度比がｉ
、ｓ：ｔになるように設定すれば、合成された感度の温
度依存性は第４図のように改善され、常温付近でほぼフ
ラットになる。

このときピエゾ素子１ａとｌｂはともにバイモルフ構造
の一部をなしているので、その作用力から撓みに至るレ
スポンスは完全に同等で、また等しい形状、材質のもの
を用いているので、ピエゾ素子を独立に設けて各々の出
力を電圧構出、電荷検出してこれを加算する場合に問題
となるような、両者のレスポンスの不整合に起因する不
都合がない。

また、特別な温度検出手段を設けてこの情報からゲイン
に補正を加える方式と比較した場合、構成が蟲かに簡便
であるのみならず、熱伝専性の非常に高い金属板を介し
て隣接する２つのピエゾ素子が相補的に温度依存性を補
正するので、加速度応答部と温度検出部の温度誤差に起
因する補正誤差を生しることもない。

以上が本発明の一実施例の構成および動作についての説
明であるが、その回路部分の具体例について第２図の回
路図を用いて詳細に説明する。

第２図においてＩａ、Ｉｂおよび４〜６はそれぞれ第１
図で説明した通りのものであり、４−６について、その
具体例を回路図として示している。

４はピエゾ素子１ａの発生する電気出力を開放電圧とし
て取り出すための電圧増幅器であり、容量性ハイインピ
ーダンスな出力特性をもつピエゾ素子から電圧情報を取
り出して、ローインピーダンス化し処理しやすいように
するインピーダンス変換器として働いている。

ここでＲ１はオペアンプＡ１の正入力をバイアスするた
めのバイアス抵抗であり動作上不可欠であるが、電圧増
幅器４の低域特性を阻害する要因となるので、出力オフ
セントおよびノイズに問題の無い範囲で極力大きな値を
用いることが望ましく、そのためにはオペアンプＡ、に
入力バイアス電流の小さなもの（例えばＦＥＴ入カクイ
プ）を用いるなどの考慮が必要である。

５はピエゾ素子１ｂの発生する電気出力を短絡電荷とし
て取り出すための電荷増幅器であり、ピエゾ素子１ｂの
発生する電荷量に比例した電圧信号を発生する電荷−電
圧変換器として働いている。

より具体的には、オペアンプＡ２の負帰コ作川によって
短絡電流（短絡電荷の微分）に等しい電流をコンデンサ
ーＣにヂャージ（積分）してその端子電圧を取り出すと
いう微分−積分動作によって短絡電荷を復元し、それに
比例した電圧出力を得るものである。

ここでＲ２は電圧増幅器４におけるＲ１と同じようにオ
ペアンプΔ２の負入力をバイアスするためのものであり
、やはり低域特性の阻害要因となるので、上述のような
配慮が必要になる。

６は電圧増幅器４および電荷増幅器５の出力を所定の重
み付けをして加算するための加算器であり、それぞれを
ゲインＲ３／Ｒａ、Ｒ３／Ｒａで増幅した後線形に合成
した出力を発生する（従って重み付けの比は１／Ｒａ：
ｌ／Ｒｂとなる）。

なお本実施例においてはバイモルフをピエゾ素子の間に
金属板を挟むような構造にしたが、これは華に機械的補
強と電気端子引出しの便宜の為であり、この２つに問題
がなければ、ピエゾ素子を直接張合わせるような構造に
してもなんら差し支えない。

また、本実施例においては片持ち梁構造を用い゛たが、
本発明はこれに限定されるものでは勿論なく、一般に圧
電型加速度センサーとして用いられている構造の全てに
適用し得る。

発明の効果 以上詳細に説明して明らかなように、本発明の圧電型加
速度センサーは、バイモルフ構造をなす一対のピエゾ素
子を用い、一方のピエゾ素子からその開放電圧に比例し
た電気信号を取り出、し、他方のピエゾ素子からはその
短絡電荷に比例した電気信号を取り出して、これを加算
するように構成しているので、ピエゾ素子に固有の材料
特性の温度変化を相殺して、感度の温度依存性の小さい
高精度な特性を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のバイモルフ素子を示す斜視
図、第２図は一実施例の回路構成を示す回路図、第３図
は圧電セラミクスの材料定数の温度依存性の典型例を示
すグラフ、第４図は本発明の一実施例における感度の温
度依存性を示すグラフである。 ｌａ、ｌｂ・・・・・・ピエゾ素子、２・旧・・金属板
、３・・・・・・固定部材、４・・・・・・電圧増幅器
、５・旧・・電荷増幅器、６・・・・・・加算器。 代理人の氏名　弁理士　中尾敏男　はか１名第２図 第３図 囁−及　（七） 第４図 逼−１（０，）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）各々両面に電極を形成した２枚のピエゾ素子を互
   いに一方の電極面が力学的に結合しかつ電気的に導通す
   るように張合わせたバイモルフ構造素子と、前記バイモ
   ルフ構造素子に被検出加速度に応じた慣性力を与えて撓
   みを生じさせるための質量要素と、一方のピエゾ素子の
   開放電圧に比例した出力を発生する電圧増幅器と、他方
   のピエゾ素子の短絡電荷に比例した出力を発生する電荷
   増幅器と、前記電圧増幅器の出力および前記電荷増幅器
   の出力を加算する加算手段とを備えたことを特徴とする
   圧電型加速度センサー。
2. （２）バイモルフ素子が、２枚のピエゾ素子を金属板を
   介して張合わせた構造であることを特徴とする、特許請
   求の範囲第（１）項記載の圧電型加速度センサー。
3. （３）バイモルフ素子に被検出加速度に応じた慣性力を
   与えて撓みを生じさせるための質量要素が、前記バイモ
   ルフ素子それ自身であることを特徴とする、特許請求の
   範囲第（１）項記載の圧電型加速度センサー。