JPS6381273A - 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−加速度センサーが広く
用いられている。

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 この様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
ｊＫｖ、Ｖ−０としたときのＱ（即ち短絡電荷）とＦの
比：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 Ｋｏ−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。

−ａ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：Ｅ３、圧電率＝Ｄ、１であり、それらは近似
的に以下のような比例関係で結ばれる。

Ａ　Ｅ。

ＢＤヨ 従って、 Ｋｖ　−Ｄ、／Ｅ、−−Ｇ。

Ｋｏ　Ｄ。

この圧電定数Ｇｎ、Ｄ□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２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２図［ａｌ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２図（ｂｌに示
すような温度依存性をもつことになる。

そしてこの様な温度依存性、即ちり４、Ｇｎ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（
、程度の差こそあれ圧電材料−船について存在する。

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、感度方向を一致さ
せた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 以下本発明の圧電型加速度センサー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ｌａ、ｌｂは感度方向が一致するように
近接して配置された一対のピエゾ素子であり、２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、３は１ｂのピエゾ素子の短絡電荷に比例した出
力を発生ずる電荷増幅器である。

２の電圧増幅器、３の電荷増幅器の出力は、４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。

以上のような構成において、加速度が作用すると一対の
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Ｇ！
Ｉ、Ｄ１１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２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ＤＴｌ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ｔ
、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３図のように改善され、常温付近でほぼフ
ラットになる。

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、感度方向を一致させた一対のピエゾ素
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出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロック図、第２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３図は本発明の一実施例における感度の温度
依存側を示すグラフである。 ｌａ、ｌｂ・・・・・・ピエゾ素子、２・・・・・・電
圧増幅器、３・・・・・・電荷増幅器、４・・・・・・
加算器。 代理人の氏名　弁理士　中尾敏男　はか１名菓　１　図 第２図 Ｘオ乏　　　（”Ｃン

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 互いにその感度方向が一致するように配設された一対の
   ピエゾ素子と、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。