JP2001133476A

JP2001133476A - 加速度センサ

Info

Publication number: JP2001133476A
Application number: JP31108399A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Watanabe; 等渡邊
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-11-01
Filing date: 1999-11-01
Publication date: 2001-05-18

Abstract

(57)【要約】【課題】一定加速度の領域から振動などの変動する領
域の加速度までを検出する。【解決手段】２層の圧電体１１ａ、１１ｂそれぞれの
表面と中間部に電極１４、１５、１６を有する梁１１の
基端部をベース部材１２に固定し、先端部に錘１３を固
定する。２層の圧電体１１ａ、１１ｂは、それぞれの電
極に交流電圧Ｖを印加することにより、片持ち梁の横振
動を発生する。この時の梁の共振周波数ｆは、梁に働く
軸力Ｐによって変化することが分かっている。従って、
この梁に軸方向に加速度が加わると、質量Ｍの錘１３の
貫性力によって梁１１に作用する軸力Ｐが変化するの
で、その時の梁１１の共振周波数ｆが分かれば、梁１１
に作用する軸力Ｐが分かり、加速度の大きさを検出でき
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、振動加速度などを
検出する圧電体を用いた加速度センサであって、一定加
速度から変動する振動加速度までを検出できる振動梁を
用いた加速度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、振動などの加速度を検出する加速
度センサは、圧電体に発生する歪みを電気信号に変換す
るものが知られている。以下、図７を用いて圧電体の横
効果を利用した従来の加速度センサの基本的な構成およ
び動作について説明する。

【０００３】図７において、梁１の先端部には質量Ｍの
錘２が固定されている。圧電体３は梁１の基端部側に接
着等により取り付けられている。圧電体３の表面には電
極４、５が形成されており、電極４、５には電気信号を
取り出すためのリード線６、７が接続されている。梁１
の基端部は、ベース部材８に固定されて、片持ち梁の形
式をとっている。ベース部材８に加速度αの振動が加わ
った場合、梁１は先端部に外力Ｆ＝Mαの集中荷重を受
けて撓む。これにより、梁１に取り付けられた圧電体３
の一方の表面には、梁１の撓みに伴って圧縮歪みが発生
し、他方の表面には伸張歪みが発生する。この圧縮歪み
および伸張歪みは、前記外力Ｆに比例し、圧電体３に形
成された電極４、５からリード線６、７を介して電圧Ｖ
として取り出すことができる。従って、圧電体３に発生
する電圧Ｖを測定すれば、前記振動の加速度αを知るこ
とができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記圧
電体の横効果を利用した加速度センサでは、周波数の低
い振動では、圧電体３の歪みによって表面に発生する電
荷が放電するため、一般的には一定加速度および低周波
数の振動加速度が測定できないという課題があった。

【０００５】本発明は、このような課題を解決するもの
であり、一定加速度の領域から振動などの変動する領域
の加速度までを検出することのできる加速度センサを提
供するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の加速度センサ
は、２層の圧電体で構成されて前記２層の圧電体それぞ
れの表面と前記２層の圧電体間に電極を有する梁と、前
記梁の基端部を固定するベース部材と、前記梁の先端部
に固定された錘とを備えた構成を有している。２層の圧
電体は、その両側面および圧電体間の電極に交流電圧Ｖ
を印加することにより、片持ち梁の横振動を発生する。
この時の梁の共振周波数ｆは、梁に働く軸力Ｐによって
変化することが分かっている。従って、この梁に軸方向
に加速度が加わると、質量Ｍの錘の貫性力によって梁に
作用する軸力が変化するので、その時の梁の共振周波数
ｆが分かれば、梁に作用する軸力Ｐが分かり、加速度の
大きさを検出できることとなる。

【０００７】また、本発明の加速度センサは、それぞれ
２層の圧電体で構成されて前記２層の圧電体それぞれの
表面と前記２層の圧電体間に電極を有する２組の梁と、
前記２組の梁のそれぞれの基端部を固定するベース部材
と、前記２組の梁のそれぞれ対向する先端部に共通に固
定された錘とを備えた構成を有している。２組の梁のそ
れぞれの圧電体に互いに逆位相の２次共振周波数の横振
動を与える。この時に２組の梁に軸方向の加速度が加わ
ると、２組の梁に引張り方向および圧縮方向の軸力が交
互に働くので、２組の梁の共振周波数のずれの変化を検
出し、どちらかの変化した周波数を共振周波数を中心に
反転して和をとることにより、軸方向の加速度の検出感
度を２倍にできることとなる。

【０００８】また、本発明の加速度センサは、それぞれ
２層の圧電体で構成されて前記２層の圧電体それぞれの
表面と前記２層の圧電体間に電極を有する互いに直交す
る４組の梁と、前記４組の梁のそれぞれの基端部を固定
するベース部材と、前記４組の梁のそれぞれ対向する先
端部に共通に固定された錘とを備えた構成を有してい
る。４組の振動梁構造によりＸ軸およびＹ軸方向の加速
度を検出できるとともに、中心部の錘を中心に回転させ
ることにより、Ｚ軸回りの角速度を検出できることとな
る。

【０００９】また、本発明の加速度センサは、前記電極
を有する梁と前記ベース部材と前記錘とを圧電材料によ
り一体に形成して2層に積層した構成を有している。こ
の構成により、安価で量産性に優れた加速度センサを実
現できることとなる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を用いて説明する。（実施の形態１）図１は本発明の実施の形態１における
振動梁軸力センサ型の加速度センサの構成を示してい
る。図１において、梁１１は互いに重ね合わされた第１
の圧電体１１ａと第２の圧電体１１ｂから構成されたバ
イモルフ圧電体の梁であり、その基端部はベース部材１
２に固定され、その先端部には質量Ｍの錘１３が固定さ
れている。第１の圧電体１１ａの表面には第１電極１４
が、第２の圧電体１１ｂの表面には第２電極１５が、そ
して互いに重ね合わされた部分には中間電極１６が、そ
れぞれ焼成などの方法により形成され、それぞれにリー
ド線１７、１８、１９が接続されている。リード線１９
は、梁１１に横振動を発生させるための交流の駆動電源
２０の一方の側に接続され、リード線１７、１８は、駆
動電源２０の他方の側に接続されている。

【００１１】梁１１の横振動のｎ次の共振周波数ｆ
_0nは、次式（１）で表される。

【数1】ここで、 λ：梁の支持方式と振動モードで決まる定数Ｌ：梁の長さＥ：梁を構成する圧電体のヤング率Ｉ：梁の断面二次モーメントｇ：重力加速度 γ：梁を構成する圧電体の密度Ａ：梁の断面積

【００１２】次に、梁１１に軸力Ｐが作用しているとき
の梁１１の共振周波数ｆ_nは次式（２のようになる。

【数２】ここで振動の振幅の小さい範囲では、上記（２）式は近
似的に次のようになる。

【数３】

【００１３】従って梁１１に軸力Ｐが作用している時
の共振周波数ｆを、梁１１のインピーダンスの変化を測
定して検出することにより軸力Ｐが分かる。具体的に
は、駆動電源２０により、例えば図３に示すように、梁
１１に１次の共振周波数ｆ₀₁で振動する横振動を与えな
がら、べース部材１２に梁１１の軸方向に加速度αが作
用した場合、加速度αと錘１３により慣性力による軸力
Ｐが発生する。この時の共振周波数ｆ₁を測定する。錘
１３の質量がＭであるから、軸力ＰはＰ＝Ｍαとなり、
加速度αはα＝P／Mで表される。従って、梁１１の共振
周波数ｆを測定することにより、加速度αを検出するこ
とができる。

【００１４】この加速度αの周波数が低域もしくは０Ｈ
ｚになっても、梁１１を構成する第１の庄電体１１aお
よび第２の圧電体１１ｂは、共振周波数付近で振動して
いるため、圧電体表面力からの放電は問題とならない。
また、駆動電源２０で駆動する梁１１の横振動モード
は、１次以外の高次の振動モードでもよい。また、梁１
１に駆動電源２０で横振動を与えながら、ベース部材１
２を梁１１の軸回りに回転させれば、梁１１にコリオリ
力が作用し、このコリオリ力による梁１１の撓みを公知
の手段により測定すれば、角速度を測定することができ
る。

【００１５】（実施の形態２）図２は本発明の実施の形
態２における振動梁軸力センサ型の加速度センサの構成
を示している。図２において、梁２１は互いに重ね合わ
された第１の圧電体２１ａと第２の圧電体２１ｂから構
成されたバイモルフ圧電体の梁である。梁２２もまた、
梁２１と同様の形状および構成を有し、互いに重ね合わ
された第１の圧電体２２ａと第２の圧電体２２ｂから構
成されたバイモルフ圧電体の梁である。梁２１および２
２は、それぞれの基端部がコ字形の共通のベース部材２
３に固定され、その対向する先端部には質量Ｍの錘２４
が共通に固定されている。梁２１の第１の圧電体２１ａ
の表面には第１電極２５が、第２の圧電体２１ｂの表面
には第２電極２６が、そして互いに重ね合わされた部分
には中間電極２７が、それぞれ焼成などの方法により形
成され、それぞれにリード線２８、２９、３０が接続さ
れている。リード線３０は、梁２１に横振動を発生させ
るための交流の駆動電源３１の一方の側に接続され、リ
ード線２８、２９は、駆動電源３１の他方の側に接続さ
れている。同様に、梁２２の第１の圧電体２２ａの表面
には第１電極３２が、第２の圧電体２２ｂの表面には第
２電極３３が、そして互いに重ね合わされた部分には中
間電極３４が、それぞれ焼成などの方法により形成さ
れ、それぞれにリード線３５、３６、３７が接続されて
いる。リード３７は、梁２２に横振動を発生させるため
の交流の駆動電源３８の一方の側に接続され、リード線
３５、３６は、駆動電源３８の他方の側に接続されてい
る。

【００１６】次に、本実施の形態の動作について説明す
る。梁２１に駆動電源３１から２次共振周波数ｆ₀₂の横
振動を与え、同時に梁２２に駆動電源３８から梁２１と
は逆位相の２次共振周波数ｆ₀₂の横振動を与える。この
時、べース部材２３に梁２１および２２の軸方向に振動
が加わり、梁２１および梁２２には引張り方向および圧
縮方向の軸力Ｐが交互に働き、前記式（３）に従つて、
梁２１および梁２２の共振周波数ｆ₀₂は、Δｆ＝ｆ₀₂−
ｆ₂および−Δｆ＝ｆ₂−ｆ₀₂だけずれることになる。従
つて、インピーダンスの変化から検出した共振周波数
を、梁２１または梁２２のどちらかの変化した周波数
を、共振周波数ｆ₀₂を中心に反転して和をとれば、軸方
向の加速度の検出感度を２倍にすることができる。

【００１７】（実施の形態３）図３は本発明の実施の形
態３における振動梁軸力センサ型の加速度センサの構成
を示している。本実施の形態３における加速度センサ
は、図２に示した加速度センサを十字形に組み合わせた
ものである。図３において、梁４１、４２、４３、４４
は、それぞれ２層の圧電体４１ａ、４１ｂと、４２ａ、
４２ｂと、４３ａ、４３ｂと、４４ａ、４４ｂとから構
成されたバイモルフ圧電体の梁である。各梁４１、４
２、４３、４４は、それぞれの基端部をベース部材４５
の支柱４６、４７、４８、４９に固定されるとともに、
それぞれの対向部する先端部に共通の錘５０が固定され
ている。各梁４１、４２、４３、４４のそれぞれの圧電
体の表面および中間面には、電極が焼成などの方法によ
り形成され、それぞれにリード線が接続されている。各
リード線には、梁４１、４２、４３、４４に横振動を発
生させるための交流の駆動電源５１、５２、５３、５４
が接続されている。

【００１８】次に，本実施の形態３の動作について説明
する。梁４１に駆動電源５１から２次共振周波数ｆ₀₂の
横振動を与えるとともに、梁４２に駆動電源５２から梁
４１とは逆位相の２次共振周波数ｆ₀₂の横振動を与える
と、前記実施の形態２と同様に動作し、梁４１、４２の
軸方向（Ｘ方向）の加速度を検出することができる。ま
た同様に、梁４３に駆動電源５３から２次共振周波数ｆ
₀₂の横振動を与えるとともに、梁４４に駆動電源５４か
ら梁４３とは逆位相の２次共振周波数ｆ₀₂の横振動を与
えると、前記実施の形態２と同様に動作し、梁４３、４
４の軸方向（Ｙ方向）の加速度を検出することができ
る。

【００１９】また、梁４１と４２を実施の形態２と同様
に共振周波数で振動させ、錘５０を梁４１と４２のＸ軸
方向に振動させながら、加速度センサ全体を鍾５０を中
心とするＺ軸回りに回転させると、錘５０にコリオリの
力が働き、梁４３および４４が振動により変形する。こ
の梁４３および４４の変形により、梁４３および４４を
構成する圧電体４３ａ、４３ｂおよび４４ａ、４４ｂに
電荷が発生し、駆動電源５３および５４の両端から電圧
として取り出すことができる。これにより、Ｚ軸回りの
角速度を検出することができる。

【００２０】（実施の形態４）本発明の実施の形態４
は、上記各実施の形態１、２、３における加速度センサ
の構成を、それぞれ図４、図５、図６に示すように圧電
材料を用いて一体構造としたものである。すなわち、図
４においては、梁部１１１とベース部１２１と錘部１３
１とを圧電材料により一体に形成して、梁部１１１の両
面に電極部１４１を形成した素材１０１を2層に積層し
たものである。また、図５においては、梁部２１１、２
２１とベース部２３１と錘部２４１とを圧電材料により
一体に形成して、梁部２１１、２２１の両面に電極部２
５１を形成した素材２０１を2層に積層したものであ
る。また、図６においては、梁部４１１、４２１、４３
１、４４１とベース部４５１と錘部５０１とを圧電材料
により一体に形成して、梁部４１１、４２１、４３１、
４４１の両面に電極部６０１を形成した素材３０１を2
層に積層したものである。このような一体構造の加速度
センサは、構造が簡単で丈夫であり、安価に製造できる
利点がある。

【００２１】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、振動梁
の共振周波数の変化を測定することにより、振動梁に作
用する軸力が分かり、これによって梁に作用する一定加
速度領域から変動する振動加速度まで検出できるという
効果を有する。また、振動梁を２組設けたり、４組設け
ることにより、検出感度を高めたり、２方向の振動加速
度および角加速度を検出することができる。さらに、積
層構造の一体型振動梁軸力センサとすることにより、安
価で量産性に優れた加速度センサを実現することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１における加速度センサの
構成を示す概略斜視図

【図２】本発明の実施の形態２における加速度センサの
構成を示す概略斜視図

【図３】本発明の実施の形態３における加速度センサの
構成を示す概略斜視図

【図４】本発明の実施の形態４における加速度センサの
構成を示す概略斜視図

【図５】本発明の実施の形態４における別の加速度セン
サの構成を示す概略斜視図

【図６】本発明の実施の形態４における別の加速度セン
サの構成を示す概略斜視図

【図７】従来例における加速度センサの構成を示す概略
正面図

【符号の説明】

１１、２１、２２、４１、４２、４３、４４梁１１ａ、１１ｂ、２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ、４
１ａ、４１ｂ、４２ａ、４２ｂ、４３ａ、４３ｂ、４４
ａ、４４ｂ圧電体１２、２３、４５ベース部材１３、２４、５０錘１４、１５、１６、２５、２６、２７、３２、３３、３
４電極１０１、２０１、３０１素材１１１、２１１、２２１、４１１、４２１、４３１、４
４１梁部１２１、２３１、４５１ベース部１３１、２４１、５０１錘部１４１、２５１、６０１電極部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２層の圧電体で構成されて前記２層の圧
電体それぞれの表面と前記２層の圧電体間に電極を有す
る梁と、前記梁の基端部を固定するベース部材と、前記
梁の先端部に固定された錘とを備えた加速度センサ。
【請求項２】それぞれ２層の圧電体で構成されて前記
２層の圧電体それぞれの表面と前記２層の圧電体間に電
極を有する２組の梁と、前記２組の梁のそれぞれの基端
部を固定するベース部材と、前記２組の梁のそれぞれ対
向する先端部に共通に固定された錘とを備えた加速度セ
ンサ。
【請求項３】それぞれ２層の圧電体で構成されて前記
２層の圧電体それぞれの表面と前記２層の圧電体間に電
極を有する互いに直交する４組の梁と、前記４組の梁の
それぞれの基端部を固定するベース部材と、前記４組の
梁のそれぞれ対向する先端部に共通に固定された錘とを
備えた加速度センサ。
【請求項４】前記電極を有する梁と前記ベース部材と
前記錘とを圧電材料により一体に形成して2層に積層し
たことを特徴とする請求項１または２または３記載の加
速度センサ。