JPH0692981B2 - Piezoelectric acceleration sensor - Google Patents
Piezoelectric acceleration sensorInfo
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- JPH0692981B2 JPH0692981B2 JP22672686A JP22672686A JPH0692981B2 JP H0692981 B2 JPH0692981 B2 JP H0692981B2 JP 22672686 A JP22672686 A JP 22672686A JP 22672686 A JP22672686 A JP 22672686A JP H0692981 B2 JPH0692981 B2 JP H0692981B2
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- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
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。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an acceleration sensor that detects vibration of an object, and more particularly to a piezoelectric acceleration sensor that applies a piezo effect.
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。2. Description of the Related Art A device for detecting an inertial acceleration of an object-an acceleration sensor is widely used for detecting a shock acting on an object, measuring a vibration, and the like.
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,サーボ型等様々なものが
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。As the acceleration sensor, various types such as an electrodynamic type, a piezoelectric type, a photoelectric type, and a servo type have been proposed and put into practical use depending on the operation principle and the form. Among them, the piezoelectric acceleration sensor is one of the most widely used because of its simple structure, small size, light weight, and robustness. Piezoelectric accelerometers utilize the properties of ferroelectric ceramics, such as barium titanate and zirconate, or quartz, which generate electrical signals when subjected to mechanical deformation-the piezoelectric effect. The inertial force applied to the weight is applied to the piezo element, the resulting electrical output is detected, and the inertial acceleration is obtained.
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。At this time, there are a method of taking out an open circuit voltage and a method of taking out a short-circuit charge as a method of taking out an electric signal from the piezo element, and one of the methods is used in a conventional piezoelectric acceleration sensor.
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。Problems to be Solved by the Invention The sensitivity of the piezoelectric acceleration sensor configured as described above is proportional to the open circuit voltage generated per unit working force or the short circuit charge. Sex matters. This is mainly due to the temperature dependence of the material constant of the piezo element, but this problem will be described below.
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。The following relationship is established between the force acting on the piezo element and the generated electric output, paying attention to an appropriate directional component.
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。Q = A · V + B · F F: Working force Q: Generated electric charge V: Generated voltage Here, A and B are proportional coefficients determined by the shape of the piezo element, material constant, and the like.
上式でQ=0としたときのV(即ち開放電圧)とFの
比:KV、V=0としたときのQ(即ち短絡電荷)とFの
比:KOがそれぞれのセンサー感度に比例することにな
る。KV、KO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。In the above formula, the ratio of V (that is, open-circuit voltage) and F when Q = 0: K V , and the ratio of Q (that is, short-circuit charge) and F when V = 0: K O is the sensitivity of each sensor. It will be proportional. When K V and K O are represented by A and B, K V = −B / AK O = B Therefore, when A and B change with temperature, the sensor sensitivity also changes. At this time, of the determinants of the proportional constants A and B, those relating to the shape can be ignored, but the temperature dependence of the material constant poses a problem.
一般に比例定数AおよびBについて支配的な材料定数は
誘電率:E33、圧電率:D31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。Generally, the dominant material constants for the proportional constants A and B are the dielectric constant: E 33 and the piezoelectric constant: D 31 , which are approximately connected by the following proportional relationship.
A E33 B D31 従って、 KV −D31/E33=−G31 KO D31 この圧電定数G31,D31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。A E 33 B D 31 Therefore, K V −D 31 / E 33 = −G 31 K O D 31 A typical example of the temperature dependence of the piezoelectric constants G 31 and D 31 is often used in a piezoelectric acceleration sensor. The piezoelectric ceramic is shown in FIG.
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(a)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(b)に示
すような温度依存性をもつことになる。Therefore, when an acceleration sensor is constructed using this piezoelectric material, its sensitivity is as shown in FIG. 2 (a) when a method for extracting an open circuit voltage is used, and a method for extracting a short circuit charge is used. When it is used, it has temperature dependence as shown in FIG.
そしてこの様な温度依存性、即ちD31、G31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。And such temperature dependence, that is, D 31 and G 31 have temperature dependence, respectively, and the inclinations thereof are opposite to each other, is not peculiar to the example given here. There are some differences in piezoelectric materials in general.
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。It is an object of the present invention to provide a highly accurate acceleration sensor with such sensitivity having little temperature dependency.
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子信号を取り出
して、これを加算することにより上記の目的を達成する
ものである。Means for Solving the Problems In order to solve the above problems, the present invention uses a pair of piezo elements whose sensitivity directions are matched with each other, takes out an electric signal proportional to its open circuit voltage from one piezo element, and The above-mentioned object is achieved by taking out an electronic signal proportional to the short-circuit charge from the piezo element and adding it.
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。Operation According to the above means, it is possible to cancel the temperature dependence of the material constant and realize a highly accurate acceleration sensor with a small change in sensitivity with respect to a temperature change.
実施例 以下本発明の圧電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。Embodiment An embodiment of the piezoelectric acceleration sensor of the present invention will be described below with reference to the drawings.
第1図は本発明の圧電加速度センサーの一実施例を示す
ブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the piezoelectric acceleration sensor of the present invention.
第1図において1a,1bは感度方向が一致するように近接
して配置された一致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
生する電荷増幅器である。In FIG. 1, 1a and 1b are matched piezo elements which are arranged close to each other so that the sensitivity directions are matched, 2 is a voltage amplifier which generates an output proportional to the open voltage of the piezo element of 1a, and 3 is 1b. Is a charge amplifier that generates an output proportional to the short-circuit charge of the piezo element.
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。The outputs of the voltage amplifier 2 and the charge amplifier 3 are added by the adder 4 with weights Ka and Kb, respectively.
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G31,
D31の温度特性に付随して温度依存性をもつ。In the above structure, when acceleration acts, the pair of piezo elements generate electric signals matching them, but their sensitivities are piezoelectric constants when they are extracted as an open circuit voltage and when they are extracted as a short circuit charge. G 31 ,
It has a temperature dependence associated with the temperature characteristic of D 31 .
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。Since this temperature dependence is as shown in FIG. 2, by setting the ratio of the gain of the voltage amplifier, the gain of the charge amplifier, and the weighting of the adder so as to cancel out the changes, the change in temperature is suppressed. The change in sensitivity
It can be much smaller than if the voltage or charge amplifier were used alone.
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D31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1.5:1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。For example, when using the piezoelectric ceramics given as an example in the description of the conventional technique, the absolute value of the slope of D 31 is about 1.5 times larger near room temperature, so there are two types of voltage-amplified ones and charge-amplified ones near room temperature. If the sensitivity ratio is set to 1.5: 1, the temperature dependence of the combined sensitivity is improved as shown in Fig. 3 and becomes almost flat near room temperature.
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。EFFECTS OF THE INVENTION As will be apparent from the detailed description above, the piezoelectric acceleration sensor of the present invention uses a pair of piezo elements whose sensitivity directions are matched with each other, and an electric signal proportional to the open circuit voltage is output from one of the piezo elements. Since the electric signal proportional to the short circuit charge is taken out from the other piezo element and is added, the temperature change of the material characteristic peculiar to the piezo element is canceled out, and the temperature of the sensitivity is It is possible to realize highly accurate characteristics with little dependence.
【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
依存制を示すグラフである。 1a,1b……ピエゾ素子、2……電圧増幅器、3……電荷
増幅器、4……加算器。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a graph showing a typical example of temperature dependence of a material constant of piezoelectric ceramics, and FIG. It is a graph which shows the temperature dependence of the sensitivity in an Example. 1a, 1b ... Piezo element, 2 ... Voltage amplifier, 3 ... Charge amplifier, 4 ... Adder.
Claims (1)
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。1. A pair of piezo elements which are arranged so that their sensitivity directions coincide with each other, a voltage amplifier which produces an output proportional to an open circuit voltage of one piezo element, and a short circuit charge of the other piezo element. A piezoelectric acceleration sensor, comprising: a charge amplifier that generates a proportional output; and an adding unit that adds the output of the voltage amplifier and the output of the charge amplifier.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22672686A JPH0692981B2 (en) | 1986-09-25 | 1986-09-25 | Piezoelectric acceleration sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22672686A JPH0692981B2 (en) | 1986-09-25 | 1986-09-25 | Piezoelectric acceleration sensor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6381273A JPS6381273A (en) | 1988-04-12 |
| JPH0692981B2 true JPH0692981B2 (en) | 1994-11-16 |
Family
ID=16849654
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP22672686A Expired - Lifetime JPH0692981B2 (en) | 1986-09-25 | 1986-09-25 | Piezoelectric acceleration sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0692981B2 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7775110B2 (en) | 2006-09-22 | 2010-08-17 | Denso Corporation | Ultrasonic sensor |
-
1986
- 1986-09-25 JP JP22672686A patent/JPH0692981B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6381273A (en) | 1988-04-12 |
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