JPH06249874A

JPH06249874A - 加速度センサ

Info

Publication number: JPH06249874A
Application number: JP6623393A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Nakamura; 村武中; Takayuki Kaneko; 子貴之金
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1993-03-01
Filing date: 1993-03-01
Publication date: 1994-09-09
Anticipated expiration: 2016-02-26
Also published as: JP3139205B2

Abstract

(57)【要約】【目的】微小加速度でも高感度で検出でき、耐衝撃性
の大きい加速度センサを得る。【構成】加速度センサ１０は、板状の振動体１２を含
む。振動体１２の長さ方向の中央部の両側において、振
動体１２の両面に、対向するようにして圧電素子１４
ａ，１４ｂおよび圧電素子１６ａ，１６ｂを形成する。
圧電素子１４ａ，１４ｂの圧電板１８ａ，１８ｂは外側
から内側に向かって分極させ、圧電素子１６ａ，１６ｂ
の圧電板２４ａ，２４ｂは内側から外側に向かって分極
させる。振動体１２の両端を、フレーム３０で支持し、
重り３２を取り付ける。フレーム３２は、振動体１２の
長さ方向の中央部に対応する位置３４ａ，３４ｂで支持
する。圧電素子１４ａ，１４ｂ，１６ａ，１６ｂに同位
相の駆動信号を印加して、振動体１２の長さ方向に振動
させる。このとき、振動体１２は、長さ方向の中央部の
両側において、伸びと縮みとが逆となるように振動す
る。そして、圧電素子１４ａ，１４ｂの出力電圧を差動
回路を通して測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は加速度センサに関し、
特にたとえば、圧電体を用いた加速度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】図７は従来の加速度センサの一例を示す
図解図である。加速度センサ１は、板体２を含む。板体
２の一端は固定され、他端には重り３が取り付けられ
る。さらに、板体２の両面には、圧電素子４が形成され
る。

【０００３】この加速度センサ１の板体２の面に直交す
る向きに加速度が加わると、図８に示すように、板体２
に撓みが生じる。それにより、圧電素子４には、撓みに
応じた電圧が発生する。この電圧を測定することによ
り、加速度を検出することができる。なお、重り３を取
り付けることにより、微小加速度でも板体２の撓みを大
きくすることができ、加速度センサ２の感度を良くする
ことができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
加速度センサを自動車などに搭載した場合、自動車の進
行による加速度に比べて、道路の凹凸などによる衝撃や
振動のほうが強い場合が多い。そのため、このような片
持ち梁構造の加速度センサは、道路の凹凸による衝撃の
影響が大きく、誤動作や破損などにつながる場合があっ
た。

【０００５】それゆえに、この発明の主たる目的は、微
小加速度でも高感度で検出でき、耐衝撃性の大きい加速
度センサを提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明は、板状の振動
体と、振動体の面上に形成される圧電素子と、振動体の
長さ方向の端部に形成される重りとを含み、圧電素子に
駆動信号を印加することによって、振動体をその長さ方
向の中央部の両側で伸びと縮みとが逆となるような長さ
振動をするようにした、加速度センサである。また、こ
の発明は、板状の振動体と、振動体の面上に形成される
圧電素子と、振動体の両端を固定するためのフレーム
と、振動体の長さ方向の両端部に形成される重りとを含
み、圧電素子に駆動信号を印加することによって、振動
体をその長さ方向の中央部の両側で伸びと縮みとが逆と
なるような長さ振動をするようにし、振動体の長さ方向
の中央部に対応するフレーム部分を支持するようにし
た、加速度センサである。

【０００７】

【作用】振動体の面上に形成された圧電素子に信号を印
加することにより、振動体を長さ方向に振動させること
ができ、振動体に慣性が与えられる。この状態で、振動
体の面に直交するように加速度が加わると、振動体に撓
みが生じる。このとき、振動体の両端部に重りが取り付
けられることにより、フレームの支持部分を中心として
フレームが撓み、加速度による振動体の撓みが大きくな
る。また、振動体の両端がフレームに固定されることに
より、耐衝撃性が大きくなる。さらに、振動体の中央部
の両側で伸びと縮みとが逆となるように振動するため、
互いの変位が吸収され、フレームへの振動漏れが少な
い。

【０００８】

【発明の効果】この発明によれば、微小な加速度が加わ
っても、振動体が大きく撓む。そのため、圧電素子に発
生する電圧が大きくなり、検出感度を高くすることがで
きる。また、この加速度センサはフレームに固定されて
いるため、耐衝撃性が大きく、自動車などに搭載して
も、道路の凹凸などによる衝撃で破損したりしない。さ
らに、振動体の振動の漏れが少ないため、安定した振動
を得ることができ、特性の安定化を図ることができる。

【０００９】この発明の上述の目的，その他の目的，特
徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳
細な説明から一層明らかとなろう。

【００１０】

【実施例】図１（Ａ）はこの発明の一実施例を示す平面
図であり、図１（Ｂ）はその断面図である。加速度セン
サ１０は、板状の振動体１２を含む。振動体１２は、た
とえばエリンバなどの恒弾性金属材料で形成される。振
動体１２の長さ方向の中央部の一方側には、振動体１２
の両面に、対向するようにして圧電素子１４ａ，１４ｂ
が形成される。また、振動体１２の長さ方向の中央部の
他方側には、振動体１２の両面に、対向するようにして
圧電素子１６ａ，１６ｂが形成される。

【００１１】圧電素子１４ａは、たとえば圧電セラミッ
クなどで形成される圧電板１８ａを含む。この圧電板１
８ａの両面に電極２０ａ，２２ａが形成される。そし
て、一方の電極２２ａが、振動体１２に接着される。同
様に、圧電素子１４ｂは圧電板１８ｂを含み、その両面
に電極２０ｂ，２２ｂが形成される。そして、一方の電
極２２ｂが、振動体１２に接着される。これらの圧電素
子１４ａ，１４ｂでは、圧電板１８ａは電極２０ａから
電極２２ａに向かって分極され、圧電板１８ｂは電極２
０ｂから電極２２ｂに向かって分極される。

【００１２】また、圧電素子１６ａ，１６ｂは圧電板２
４ａ，２４ｂを含み、圧電板２４ａ，２４ｂの両面には
電極２６ａ，２８ａおよび電極２６ｂ，２８ｂが形成さ
れる。そして、圧電素子１６ａ，１６ｂの一方の電極２
８ａ，２８ｂが、振動体１２に接着される。これらの圧
電素子１６ａ，１６ｂでは、圧電板２４ａは電極２８ａ
から電極２６ａに向かって分極され、圧電板２４ｂは電
極２８ｂから電極２６ｂに向かって分極される。

【００１３】振動体１２の両端は、支持手段としてのフ
レーム３０に支持される。フレーム３０は、たとえば４
角形のループ状に形成され、その中央部に振動体１２が
配置される。振動体１２の長さ方向の両端には、重り３
２が取り付けられる。これらの重り３２は、たとえばフ
レーム３０の両面に対向して形成される。また、フレー
ム３２は、振動体１２の長さ方向の中央部に対応する部
分３４ａ，３４ｂで支持される。つまり、これらの支持
部３４ａ，３４ｂは、フレーム３０の、振動体１２に平
行する部分の中央部に位置している。

【００１４】この加速度センサ１０を使用するには、た
とえば図２に示すように、圧電素子１４ａ，１４ｂおよ
び圧電素子１６ａ，１６ｂに、抵抗３６ａ，３６ｂ，３
６ｃ，３６ｄを介して発振回路３８が接続される。この
とき、圧電素子１４ａ，１４ｂと圧電素子１６ａ，１６
ｂには、同位相の駆動信号が印加される。圧電素子１４
ａ，１４ｂは互いに対向するように形成され、圧電素子
１６ａ，１６ｂも互いに対向するように形成されている
ため、振動体１２は長さ方向に振動する。また、圧電素
子１４ａ，１４ｂと圧電素子１６ａ，１６ｂとは、逆方
向に分極しているため、同位相の駆動信号によって互い
に逆方向に変位する。したがって、図１（Ａ）の実線の
矢印に示すように、振動体１２の中央部を中心として、
振動体１２の一方側が伸びるとき、他方側は収縮する。
また、図１（Ａ）の１点鎖線の矢印に示すように、振動
体１２の一方側が収縮するとき、他方側は伸びる。この
ようにして、振動体１２は、その長さ方向に振動する。
したがって、振動体１２の両側部分の変位が吸収され、
振動体１２の両端は変位しないため、フレーム３０への
振動体１２の振動漏れが少ない。そのため、安定した振
動を得ることができる。

【００１５】振動体１２が振動することによって、振動
体１２に慣性が与えられる。この状態で、振動体１２の
面に直交するように加速度が加わると、図３（Ａ）およ
び図３（Ｂ）に示すように、振動体１２に撓みが生じ
る。振動体１２が撓むと、振動体１２の長さ方向の両端
部に取り付けられた重り３２の質量により、フレーム３
０は支持部３４ａ，３４ｂを中心として変形する。それ
により、加速度による振動体１２の撓みが大きくなる。
この撓みにより、振動体１２の振動が妨げられ、共振特
性が変化する。この共振特性の変化を測定することによ
り、加速度を検出することができる。

【００１６】加速度を測定するためには、たとえば振動
体１２の撓みにより圧電素子１４ａ，１４ｂおよび圧電
素子１６ａ，１６ｂに発生する電圧が測定される。その
ために、たとえば図２に示すように、圧電素子１４ａ，
１４ｂが差動回路４０に接続され、圧電素子１６ａ，１
６ｂが差動回路４２に接続される。ただし、２つの差動
回路を用いる必要はなく、差動回路４０，４２のうちの
どちらか１つが接続されていればよい。そして、たとえ
ば対向する圧電素子１４ａ，１４ｂを差動回路４０に接
続することによって、駆動信号がキャンセルされ、加速
度に応じた出力信号のみが測定される。また、圧電素子
１４ａ，１４ｂは、それぞれ外側から内側に向かって分
極しているため、振動体１２の撓みに対して逆位相の電
圧が発生する。そのため、これらの圧電素子１４ａ，１
４ｂの出力電圧の差をとれば、差動回路４０から大きい
出力を得ることができ、感度を良くすることができる。
また、重り３２によって加速度による振動体１２の歪み
を大きくすることができ、さらに感度を良くすることが
できる。

【００１７】このように、この加速度センサ１０では、
重り３２の質量により加速度に対して振動体１２の撓み
が大きくなるため、応答性が良く、高感度とすることが
できる。また、振動体１２の両端がフレーム３０に支持
されているため、耐衝撃性が大きく、破損しにくい加速
度センサ１０を得ることができる。したがって、たとえ
ば加速度センサ１０を自動車などに搭載しても、道路の
凹凸などによる衝撃で破損されず、自動車の進行による
加速度を高感度で検出することができる。また、振動体
１２はプレス打抜きやエッチングによって作製でき、低
コストで簡単に製造可能である。

【００１８】なお、上述の実施例では、圧電素子１４
ａ，１４ｂの出力電圧を差動回路４０に入力した例につ
いて説明したが、もちろん差動回路４２で圧電素子１６
ａ，１６ｂの出力電圧の差を測定してもよい。また、同
じ側に形成された圧電素子１４ａ，１６ａの出力電圧の
差または圧電素子１４ｂ，１６ｂの出力電圧の差を測定
してもよい。さらに、４つの圧電素子１４ａ，１４ｂ，
１６ａ，１６ｂをブリッジ回路などに接続して、加速度
を検出することもできる。

【００１９】また、圧電素子１４ａ，１４ｂの分極方向
と圧電素子１６ａ，１６ｂの分極方向を逆にしたが、こ
れらの圧電素子を同じ方向に分極してもよい。この場
合、圧電素子１４ａ，１４ｂと圧電素子１６ａ，１６ｂ
には、互いに逆位相の駆動信号が入力される。このよう
にしても、上述の実施例と同様の振動を得ることができ
る。このような駆動方法を採用した場合、同じ側の圧電
素子１４ａ，１６ａに発生する電圧および圧電素子１４
ｂ，１６ｂに発生する電圧は同位相となる。したがっ
て、同じ側の圧電素子の出力信号を測定する場合、和動
回路を用いることによって、大きい出力を得ることがで
きる。このとき、これらの圧電素子に入力する駆動信号
は逆位相であるため、和動回路によってキャンセルする
ことができる。

【００２０】さらに、圧電素子は必ずしも４つ必要では
なく、たとえば対向する２つの圧電素子１４ａ，１４ｂ
のみが形成されていてもよい。このように、振動体１２
の両面で対向する圧電素子が形成されていれば、上述の
ような振動を励起することができる。

【００２１】また、図４に示すように、駆動用の圧電素
子１４ａ，１４ｂ，１６ａ，１６ｂの他に、検出用圧電
素子４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄを形成してもよ
い。図４に示す実施例では、検出用圧電素子４４ａ〜４
４ｄは、振動体１２のフレーム３０側に形成されてい
る。そして、加速度による振動体１２の撓みによって検
出用圧電素子４４ａ〜４４ｄに発生する電圧を測定する
ことによって、加速度センサ１０に加わった加速度を検
出することができる。

【００２２】さらに、図５に示すように、振動体１２の
一方面側に駆動用圧電素子１４ａ，１６ａを形成し、振
動体１２の他方面側に検出用圧電素子４６を形成しても
よい。この場合、検出用圧電素子４６は、振動体１２の
長さ方向の中央部を中心として、線対称となるように形
成される。この加速度センサ１０では、２つの駆動用圧
電素子１４ａ，１６ａに発振回路３８が接続され、振動
体１２が振動させられる。この加速度センサ１０の振動
体１２に撓みが生じていないときには、検出用圧電素子
４６の中央部の両側で逆の伸縮が起こるため、検出用圧
電素子４６に発生する電圧が相殺される。また、加速度
が加わることによって振動体１２に撓みが発生すると、
検出用圧電素子４６の中央部の両側の撓み方に差が生
じ、相殺されない電圧が出力される。したがって、この
検出用圧電素子４６の出力電圧を測定することによっ
て、加速度を検出することができる。

【００２３】上述の各実施例では、金属材料などで形成
された振動体やフレームを用いたが、これらを圧電セラ
ミックで形成してもよい。この場合、振動体には、上述
の各実施例の圧電素子の代わりに、電極が形成される。
これらの電極に駆動信号を与えることによって、振動体
に長さ方向の振動をさせることができる。そして、電極
からの出力信号を測定することにより、加速度を検出す
ることができる。

【００２４】また、振動体１２は必ずしもフレームに固
定する必要はなく、図６に示すように、片持ち梁にする
こともできる。この場合、振動体１２の長さ方向の一方
に重り３２が取り付けられる。このような加速度センサ
１０でも、加速度によって振動体１２が撓み、その撓み
に応じた出力を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）はこの発明の一実施例を示す平面図であ
り、（Ｂ）はその断面図である。

【図２】図１に示す加速度センサを使用するための回路
図である。

【図３】（Ａ）は図１に示す加速度センサに加速度が加
わったときの加速度センサの状態を示す平面図であり、
（Ｂ）はその断面図解図である。

【図４】この発明の他の実施例を示す断面図解図であ
る。

【図５】この発明のさらに他の実施例を示す断面図解図
である。

【図６】この発明の別の実施例を示す断面図解図であ
る。

【図７】従来の加速度センサの一例を示す図解図であ
る。

【図８】図７に示す従来の加速度センサに加速度が加わ
ったときの状態を示す図解図である。

【符号の説明】

１０加速度センサ１２振動体１４ａ，１４ｂ圧電素子１６ａ，１６ｂ圧電素子３０フレーム３２重り３４ａ，３４ｂ支持部４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄ検出用圧電素子４６検出用圧電素子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】板状の振動体、前記振動体の面上に形成される圧電素子、および前記振
動体の長さ方向の端部に形成される重りを含み、前記圧電素子に駆動信号を印加することによって、前記
振動体をその長さ方向の中央部の両側で伸びと縮みとが
逆となるような長さ振動をするようにした、加速度セン
サ。
【請求項２】板状の振動体、前記振動体の面上に形成される圧電素子、前記振動体の両端を固定するためのフレーム、および前
記振動体の長さ方向の両端部に形成される重りを含み、前記圧電素子に駆動信号を印加することによって、前記
振動体をその長さ方向の中央部の両側で伸びと縮みとが
逆となるような長さ振動をするようにし、前記振動体の長さ方向の中央部に対応する前記フレーム
部分を支持するようにした、加速度センサ。