JPH0627133A - 3次元加速度センサ - Google Patents

3次元加速度センサ

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JPH0627133A
JPH0627133A JP4206240A JP20624092A JPH0627133A JP H0627133 A JPH0627133 A JP H0627133A JP 4206240 A JP4206240 A JP 4206240A JP 20624092 A JP20624092 A JP 20624092A JP H0627133 A JPH0627133 A JP H0627133A
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JP
Japan
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piezoelectric
axis
acceleration sensor
piezoelectric element
dimensional acceleration
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JP4206240A
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Tomio Kato
臣男 加藤
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Toray Industries Inc
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Toray Industries Inc
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 同一質点に作用する3次元の加速度を検出で
きる、製作が簡単で、信頼性が高い3次元加速度センサ
を提供する。 【構成】 互いに直交するx軸、y軸およびz軸方向に
配置されている3個の圧電素子3と、これら3個の圧電
素子3に内接し、かつ、接点において対応する圧電素子
3に接合されている球体2と、上記各圧電素子3に接続
されている電荷検出回路8とを備えている3次元加速度
センサ。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、圧電素子を用いた3
次元での加速度を検出するセンサに関し、さらに詳しく
は、物体に作用する力の大きさと方向を検出する3次元
加速度センサに関する。
【0002】
【従来の技術】3次元空間での物体に作用する重力や力
を正確に求めるためには、同一点における3次元での同
時刻の加速度、つまり、同一質点に作用する力の情報が
必要である。従来から知られている3次元加速度センサ
は、例えば特開昭63−118667号公報に開示され
ているように、3個の1次元加速度センサを用いて、3
次元の加速度センサを構成しているものが多い。
【0003】この特開昭63−118667号公報に開
示されている加速度センサは、図10に示すように、ブ
ロック21上にシリコンを加工した1次元加速度センサ
22を3個、x軸、y軸およびz軸方向に配置したもの
である。この1次元加速度センサ22は、重り部23に
作用する力をたわみ部24に設けた基板26の抵抗部2
5で、その抵抗の変化として検出するものである。
【0004】ところが、このような加速度センサにおい
ては、3個の1次元加速度センサ22の重り部23、た
わみ部24や抵抗部25を均一に作り難く、それぞれの
方向の質量が異なり、感度も不均一になり易いという欠
点がある。また、その補正のため、構造や、処理回路が
複雑になるという問題もある。
【0005】これらの問題を解消するために、同一質点
に作用する3次元の加速度を検出するセンサとして、特
開昭63−149568号公報、特開平1−20267
0号公報に提案されたものが知られている。
【0006】ここで一例として、特開平1−20267
0号公報に開示された3次元加速度センサについて、図
11を用いて説明する。この加速度センサは、3点以上
の支点32で支持媒体33を介して、球状重り31を支
え、支持媒体33を介し、支点32に作用する力の大き
さと方向を検出するものである。
【0007】しかしながら、この方法によるセンサの構
成では、球状重り31を3個以上の支持媒体33で支え
るため、占有空間がある程度大きいことが必要で、これ
らの構成部品の器差あるいは取付角度などで感度の不均
一や球状重り31の回転が生じ易いという問題がある。
【0008】また、製作に際して、球状重り31に支点
32を正確に球状重り31の中心に向けて接触させなけ
ればならないという、高度な技術が必要であることや、
球状重り31の中心の位置と重心の位置とは厳密には異
なることから、この状態を長時間、安定して維持するの
はかなり困難であるという問題もある。特に支持媒体3
3が弾性体(実施例ではバネである)である場合には、
仮に、球状重り31の中心と重心との位置が正確に一致
したとしても、支持媒体33の応力緩和により、支持媒
体33の形状が変化し、好ましい状態を長時間、安定し
て維持しがたいなどの問題を解決する必要がある。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の問題
点を解決せんとするものであり、同一質点に作用する3
次元の加速度の検出が可能で、かつ製作が簡単で、しか
も信頼性が高い3次元加速度センサを提供することを目
的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明の3次元加速度センサは、互いに直交するx
軸、y軸およびz軸方向を作動軸方向とする3個の圧電
素子と、該3個の圧電素子の各一面に内接し、接点にお
いて対応する圧電素子に接合されている球体と、各圧電
素子に接続されている電荷検出回路とを備えているもの
から成る。
【0011】上記圧電素子は、該圧電素子を間に上記球
体と反対側に配置された剛体上に支持されることが好ま
しい。また、圧電素子は、センサ全体を小型に形成する
ため厚みの薄いものが好ましく、高分子圧電膜と、該高
分子圧電膜の両面に設けられた電極からなるものが好ま
しい。
【0012】
【作用】このような3次元加速度センサにおいては、x
軸、y軸、z軸の3次元方向に配置された3個の圧電素
子が、1個の球体に直接接合されている。球体に加速度
が作用すると、該加速度により球体から各電圧素子に外
力が直接加わり、該外力によって圧電素子が伸縮され
る。この伸縮により、各圧電素子に電荷が発生し、該電
荷が、上記球体から圧電素子に伝達された外力、つまり
加速度を代表する情報として、電荷検出回路によって取
り出される。1個の球体に作用する加速度が、3次元方
向に配置された電圧素子により、同時にかつ直接検出さ
れることになるので、つまり、同一質点に作用する加速
度が3次元方向に同時に検出されることになるので、3
次元での加速度が精度よく測定される。
【0013】また、各圧電素子は、球体に直接接合され
るので、センサ全体をコンパクトに構成でき、間に部材
が介在しないので、製作が容易で信頼性も高い。
【0014】
【実施例】以下に、本発明の実施例を図面を参照して説
明する。図1ないし図5は本発明の一実施例に係る3次
元加速度センサを示している。図1は本発明に係るセン
サの斜視図である。ここで、3個の圧電素子3はその作
動軸をx軸、y軸およびz軸方向とするように箱体を形
成する如く配置されており、塩化ビニル製の球体2がこ
れら3個の圧電素子3に内接している。また、これらは
塩化ビニル製の枠1の中に配置され、3個の圧電素子3
は、それぞれこの枠1に接合されている。
【0015】球体2は、各圧電素子3への内接接点で、
各圧電素子3と接合されている。球体2は任意の必要な
質量を得るため、素材を選ばないし、場合によっては、
金属で作り、圧電素子3に発生する電荷を取り出すため
の電極とすることも考えられる。
【0016】そして、3個の圧電素子3は高分子圧電膜
4、具体的にはP(VDF−TrFE)(フッ化ビニリ
デン−トリフロロエチレン共重合体)の両面に電極A5
と電極B6を形成したものである。これを図3の圧電素
子の断面図で説明する。
【0017】一方の電極B6は高分子圧電膜4の他面に
アルミを蒸着して形成し、電極A5は、高分子圧電膜4
の一面を図4剛板7の一面に形成した銅薄膜にエポキシ
系接着材で接着することにより形成する。
【0018】高分子圧電膜4は、電極B6の形成が容易
で、電極A5のような他の部材に形成された電極に接着
することによって、圧電素子3を構成できるものであれ
ば、他の材質の圧電膜でも良く、無機系のものと替える
こともできる。
【0019】また、一般的に、高分子圧電膜4はたわみ
変形では、高分子圧電膜4の表裏の電極A5、電極B6
と固定抵抗(R1)12(図2)とを並列に接続する周
知の信号処理では変形に伴う出力は得られない。このた
め、高分子圧電膜4を剛板7で裏打ちして、球体2に作
用する加速度を受けたときに、高分子圧電膜4がたわま
ないで、厚み方向の伸縮が起きるようにして、その伸縮
に伴う出力を得る。したがって、剛板7はガラスエポキ
シ等の一般的な回路基板材のみでなく、シリコン、ガラ
スやセラミックなどの薄板のように、剛性があり、電極
が形成し易いものの使用が可能である。
【0020】なお、高分子圧電膜4は周知のように、上
記の如く表裏の電極A5、電極B6と固定抵抗(R1)
12とを並列接続した回路構成では、圧電体に伸縮の変
化が生じたときのみ電荷の発生に応じた出力が得られ
る。つまり、圧電素子3は、球体2に加速度が生じたと
きのみ、電荷が得られる。
【0021】なお、高分子圧電膜4は、発電器としての
機能を有するので、加速度検出のために外部からの電流
供給が少なくて済み、処理回路を簡単に構成できるもの
である。
【0022】また、電極B6は球体2と微小部分で接触
するが、この部分に長期にわたり力の増減があると、機
械的疲労による損傷の可能性があるので、この部分に保
護膜や保護板を付加するようにしてもよい。なお、上記
圧電素子3では、一方の電極A5を剛板7上に形成しそ
れに高分子圧電電膜4を接着するようにしたが、高分子
圧電膜4の両面に電極を形成したものを剛板7に貼り付
けても良い。
【0023】これら3個の圧電素子3は、塩化ビニル製
の枠1の中にx軸、y軸およびz軸方向に配置されてい
る。この枠1は剛性がある素材で、圧電素子3の電極A
5の配置にもよるが、これらの電極A5が短絡しないよ
うに、絶縁体であることが好ましい。
【0024】次に電気回路について図2と図5により説
明する。図2は本発明における電荷検出回路図である。
電荷検出回路8は高分子圧電膜4で発生する電荷を電圧
に変える他に、高分子圧電膜4の高いインピーダンスを
低インピーダンスに変換して後の信号処理を容易にする
インピーダンス変換の役目がある。
【0025】高分子圧電膜4の電極A5、電極B6に発
生した電荷は、電極A5と接続された固定抵抗(R1)
12に流れ、電荷量に応じた電圧となり、電界効果型ト
ランジスタ(Tr)13を経て、抵抗器(R2)14の
抵抗値にインピ−ダンス変換される。電極B6は、図示
していないがリ−ド線などで電荷検出回路8のマイナス
電源端子11に接続されている。なお、図2の中で高分
子圧電膜4内の矢印は分極方向を示している。
【0026】この回路を組み込んだ剛板の裏面を図5に
示す。これは前記の電界効果型トランジスタ(Tr)1
3、抵抗器(R1)12や抵抗器(R2)14の具体的
実装を描いたものである。なお、電荷検出回路8は必ず
しも、剛板7の裏面になければならないというのではな
く、商用電源からや、その他の電気設備からの電気的ノ
イズを遮蔽できるところに設ければ良い。
【0027】ところで、温度や他の振動や圧力変化等の
環境によるノイズを除去し、精度を高める1つの方法と
して、図7に示すように、測定に用いる一方の圧電素子
3aに対し、同じ環境が得られるようなそれに近いとこ
ろに他方の圧電素子3bを設けて、測定に用いる一方の
圧電素子3aのノイズ成分を含んだ検出値から他方の圧
電素子3bのノイズ成分のみの検出値を差し引いてノイ
ズを除去する方法がある。
【0028】例えば、図6に他の実施例に係る剛板の表
面を示すように、剛板7上に同じ面積の2個の電極C5
a、電極D5bを設け、電気的には図7に1組の電荷検
出回路図を示すように、2個の圧電素子の一方の圧電素
子3aと他方の圧電素子3bの分極方向を対向させ、そ
れらを直列に接続した構成にし、一方の圧電素子3aが
球体2からの加速度(力)を検出し、他方の圧電素子3
bはノイズ成分のみを検出するようにする。このように
構成すれば、圧電素子3a、3bの分極方向が互いに対
向しているので、ノイズ成分は2個の圧電素子3内で自
動的に消去される。
【0029】更に他の方法として、測定に用いる圧電素
子3に対して、符号が逆の出力が得られるように、もう
1つの圧電素子3を設けて、2個一対の圧電素子3に共
通なノイズ成分を差し引いて除去し、信号成分を差し引
くことで和として2倍の出力信号を得ることもできる。
【0030】例えば、図8に更に他の実施例に係る3次
元加速度センサを示すように、図1に示した圧電素子組
立体を2つ作り、それらの方向を互いに変えて、箱体に
なるように構成する。球体2は1個として、この球体2
がx軸、y軸およびz軸方向に配置されている2個一対
3組の計6個の圧電素子3に内接するように、かつ、接
点において対応する圧電素子3に接合されるように構成
する。これにより、2個づつあるx軸、y軸およびz軸
方向の圧電素子3には、互いに極性が逆な信号出力が得
られ、ほぼ共通なノイズ成分が重畳する。
【0031】上記の説明のように、この2個1組の圧電
素子3の分極方向を対向させ、直列に接続するか、ある
いは図9に圧電素子3を並列接続する1組の電荷検出回
路図に示すように、分極方向を互いに逆にして並列に接
続する方法の、いずれの方法でも、ノイズ成分は、2個
の圧電素子3内で自動的に消去される。信号成分は2個
の圧電素子3内では、上記の直列接続では2倍になり、
並列接続では変わらない。これらの方法を採用すること
により、SN比が高い3次元加速度センサを得ることが
できる。
【0032】本発明を任意の装置に組み込み、例えば、
玩具(自動車)に固定し、玩具を作動させると、球体に
はその各軸方向(x軸、y軸およびz軸)に質量に加速
度を乗じた力が作用し、そのx軸、y軸およびz軸方向
の分力を3個の圧電素子がそれぞれ検出する。実際には
球体(質点)の慣性力に対して、球体の質量に作用する
力と同等で、その方向の符号が逆の反力がそれぞれの方
向に対する分力として3個の圧電素子に加わる。
【0033】各圧電素子は具体的には、剛体上に支持さ
れ、球体に作用する力のx軸、y軸およびz軸方向の分
力は、それぞれ、高分子圧電膜の厚み方向へ加わり、高
分子圧電膜はたわむことなく、厚み方向の伸縮が発生す
る。(たわみの場合は電荷検出回路の出力はほとんど得
られない。)この伸縮は力に比例するので、各々の圧電
素子に接続されている電荷検出回路からx軸、y軸およ
びz軸、それぞれの分力に比例した出力を得ることがで
きる。その得られた出力から球体(つまり、同一の質
点)に作用する加速度のx軸、y軸およびz軸方向の分
力が計算でき、更に、ベクトル合成した加速度の方向を
知ることが出来る。
【0034】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の3次元加
速度センサは、剛板に支持された3個の圧電素子をx
軸、y軸およびz軸方向に配置し、これに球体をこれら
3個の圧電素子に内接し、かつ、接合して構成されてい
る。このため、次のように従来の3次元加速度センサの
問題点を解消している。
【0035】1)箱体を形成する如くx軸、y軸および
z軸方向に配置されている3個の圧電素子と、これら3
個の圧電素子に内接し、かつ、接点において対応する圧
電素子に接合されている球体と、上記各圧電素子に接続
されている電荷検出回路とを備えているので、同一質点
に対応する3次元の加速度を1つの球体に作用する力と
その力の方向として、3個の圧電素子で検出できる。
【0036】2)圧電素子が剛板上に支持され、かつ、
球体がその圧電素子と接合しているので、構造が安定し
て、長期使用に耐えることができる。
【0037】3)圧電素子が、高分子圧電膜と、この高
分子圧電膜の一面および他面に接する電極とを備えて、
一面の電極が剛体上に形成され、その電極に高分子圧電
膜が接合されていて、このように、圧電素子が、高分子
圧電膜と、この高分子圧電膜の一面および他面に接する
電極とを備え、一面の電極が剛体上に形成されているた
めに、高分子圧電膜と剛板とが別々に製作できる。した
がって、構成も簡単になり、容易に製作できる。
【0038】この他にも、高い感度で、熱的にも安定し
た出力を得られるなどの効果もあることがわかった。こ
のように製作が容易で信頼性が高い同一質点に作用する
3次元の加速度が検出できる3次元加速度センサが提供
できたことにより、単なる加速度測定や振動測定器とし
て、十分な性能を有し、高い精度で3次元の加速度を検
出できるので、ナビゲーションシステム等の、距離、速
度はもちろん、方向についても高い精度が要求される加
速度測定にも用途が開かれる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係る3次元加速度センサの
斜視図である。
【図2】図1の3次元加速度センサにおける電荷検出回
路図である。
【図3】図1の3次元加速度センサにおける圧電素子の
断面図である。
【図4】図1の3次元加速度センサにおける剛板の表面
の平面図である。
【図5】図1の3次元加速度センサにおける剛板の裏面
の平面図である。
【図6】本発明の他の実施例に係る3次元加速度センサ
における剛板の表面の平面図である。
【図7】図6の3次元加速度センサにおける1組の電荷
検出回路図である。
【図8】本発明のさらに他の実施例に係る3次元加速度
センサの斜視図である。
【図9】図8の3次元加速度センサにおける圧電素子を
並列接続する1組の電荷検出回路図である。
【図10】従来の1次元加速度センサを用いた3次元加
速度センサの概略図である。
【図11】従来の同一質点に対する3次元の加速度を検
出するセンサの概略図である。
【符号の説明】
1 枠 2 球体 3 圧電素子 3a 一方の圧電素子 3b 他方の圧電素子 4 高分子圧電膜 5 電極A 5a 電極C 5b 電極D 6 電極B 7 剛板 8 電荷検出回路 9 電荷検出回路の出力端子 10 電荷検出回路のプラス電源端子 11 電荷検出回路のマイナス電源端子 12 固定抵抗器(R1) 13 電界効果型トランジスタ(Tr) 14 固定抵抗器(R2)

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 互いに直交するx軸、y軸およびz軸方
    向を作動軸方向とする3個の圧電素子と、該3個の圧電
    素子の各一面に内接し、接点において対応する圧電素子
    に接合されている球体と、各圧電素子に接続されている
    電荷検出回路とを備えていることを特徴とする3次元加
    速度センサ。
  2. 【請求項2】 前記圧電素子が、該圧電素子を間に前記
    球体と反対側に配置された剛体上に支持されている請求
    項1の3次元加速度センサ。
  3. 【請求項3】 前記圧電素子が、高分子圧電膜と、この
    高分子圧電膜の一面および他面に接する電極とを備えて
    いる請求項1又は2の3次元加速度センサ。
  4. 【請求項4】 前記圧電素子の一面の電極が剛体上に形
    成され、その電極に高分子圧電膜が接合されている請求
    項3の3次元加速度センサ。
JP4206240A 1992-07-10 1992-07-10 3次元加速度センサ Pending JPH0627133A (ja)

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