(57)【要約】【課題】本発明は、リーク電流の発生を最小限に抑え、より正確に加速度を検出することが可能な加速度センサを提供すること。【解決手段】圧電体が二枚の電極層に挟まれた状態で接合されて、一体形成された変位センサＡと、圧電体が二枚の電極層に挟まれた状態で接合されて、一体形成されたアクチュエータＢと、検出感度を向上させるための質量体５と、変位センサＡに発生した電圧又は電荷の大きさを検出し、該電荷又は電荷の大きさに対応した電圧信号をアクチュエータＢに対して発信する検出制御部６とからなり、変位センサの電極層２と、前記アクチュエータの電極層４と、を接合して一体化させ、質量体５を変位センサの電極層２に接合して、一体化させ、変位センサの電極層２と検出制御部６とが接続され、アクチュエータの電極層４と検出制御部６とが接続される加速度センサ。【選択図】図１
2007263916.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
運動物体の加速度を検出するための加速度センサであって、
圧電体が二枚の電極層に挟まれた状態で接合されて、一体形成された変位センサと、
圧電体が二枚の電極層に挟まれた状態で接合されて、一体形成されたアクチュエータと、
検出感度を向上させるための質量体と、
変位センサに発生した電圧又は電荷の大きさを検出し、該電荷又は電荷の大きさに対応した電圧信号をアクチュエータに対して発信する検出制御部とからなり、
前記変位センサの電極層と、前記アクチュエータの電極層と、を接合して、一体化させ、
前記質量体を前記変位センサの電極層に接合して、一体化させ、
変位センサの電極層と検出制御部とが接続され、
アクチュエータの電極層と検出制御部とが接続されることを特徴とする加速度センサ。
【請求項２】
圧電体の材料が窒化アルミニウム薄膜であることを特徴とする請求項１記載の加速度センサ。
【請求項３】
加速度の高周波成分を検出するための加速度センサを併用し、それぞれの検出結果を加算したものを最終的な検出結果とすることを特徴とする請求項１記載の加速度センサ。
【請求項４】
前記変位センサと前記アクチュエータを、前記運動物体に取り付けた際に、前記質量体が前記運動物体と離間することを特徴とする請求項１記載の加速度センサ。
【請求項５】
前記変位センサと前記質量体の接合面が、前記運動物体の加速度方向と直交するように前記運動物体に取り付けられることを特徴とする請求項１記載の加速度センサ。
【請求項６】
前記変位センサと前記アクチュエータとが前記運動物体に対して共通に取り付けられることを特徴とする請求項５記載の加速度センサ。
【請求項７】
前記アクチュエータの電極層が前記運動物体に取り付けられることを特徴とする請求項５記載の加速度センサ。
【請求項８】
アレイ化させた状態で用いることを特徴とする請求項１記載の加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電体を用いた圧電型加速度センサに関し、更に詳しくは圧電体の撓みを強制的に解消することでリーク電流の発生を抑制する圧電型加速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、加速度センサの一種として圧電体の圧電効果を利用したものが知られている（特許文献１参照）。
その測定原理は、一定の質量を持つ圧電体が慣性力を受けて撓み、その慣性力の大きさに応じた電荷が前記圧電体の表面に発生する。
そして、発生した電荷が作る電場により、圧電体表面に接合される電極層にも発生した電荷と同量の電荷が新たに発生する。
電極層に発生したこの電荷の大きさを検出装置が検出することで、圧電体に加わる慣性力の大きさを検出する。
そして、前記慣性力の大きさから間接的に加速度の大きさを検出するものである。
【特許文献１】特開２００１−２１５７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし従来の圧電型加速度センサは、圧電体に加わる慣性力の直流成分と、圧電体に加わる慣性力の低周波成分を正確に測定できない問題点があった。
即ち、圧電体に加わる慣性力のうち時間に依らず大きさが一定である成分（直流成分）と、前記慣性力のうち低周波数でその大きさが変化する成分（低周波成分）を正確に測定できない問題点があった。
その理由は電極層に発生する電荷が、リーク電流の発生により減少するからである。
すなわち時刻ｔにおいて電極層に残っている電荷量Ｑは次の式（１）で表される。
Ｑ＝Ｑ0exp（−ｔ／ＣＲ）  …式（１）
Ｑ0 ：電極層表面に発生した電荷量(Ｃ)
Ｃ  ：圧電体の静電容量(F)
Ｒ  ：リーク電流の原因となる抵抗(Ω)
よって、常に一定の大きさの慣性力が加速度センサに加わっている場合、検出装置が検出する電荷量は時間と共に減少し、見かけ上加速度が減少しているような検出結果となる。
また、加速度センサに加わる慣性力の周期が時定数Ｔ（＝ＣＲ）よりも長い場合も同様に、リーク電流によって大きく減少した電荷量を測定するので、実際の加速度とは異なる検出結果となる。
【０００４】
ちなみにリーク電流は、圧電体の抵抗及びチャージアンプ等の計測機器に存在する入力抵抗や帰還抵抗が原因で形成される回路に流れる電流をいう。
このリーク電流が流れることで圧電体に発生した電圧（電荷）が自発的に減少することになる。
【０００５】
本発明はかかる実状を背景に開発されたものである。
すなわち本発明は、リーク電流の発生を最小限に抑え、より正確に加速度を検出することが可能な加速度センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者はこのような課題背景を考慮し鋭意研究を重ねた結果、変位センサの撓みを強制的に元に戻す機能を有するアクチュエータを変位センサに接合することで、リーク電流の発生を防ぎ、正確な加速度の直流成分、低周成分を検出できることを見出し、その知見により本発明を完成させた。
【０００７】
すなわち、本発明は、（１）、運動物体の加速度を検出するための加速度センサであって、圧電体が二枚の電極層に挟まれた状態で接合されて、一体形成された変位センサと、圧電体が二枚の電極層に挟まれた状態で接合されて、一体形成されたアクチュエータと、検出感度を向上させるための質量体と、変位センサに発生した電圧又は電荷の大きさを検出し、該電荷又は電荷の大きさに対応した電圧信号をアクチュエータに対して発信する検出制御部とからなり、前記変位センサの電極層と、前記アクチュエータの電極層と、を接合して、一体化させ、前記質量体を前記変位センサの電極層に接合して、一体化させ、変位センサの電極層と検出制御部とが接続され、アクチュエータの電極層と検出制御部とが接続される加速度センサに存する。
【０００８】
また、本発明は、（２）、圧電体の材料が窒化アルミニウム薄膜である上記（１）記載の加速度センサに存する。
【０００９】
また、本発明は、（３）、加速度の高周波成分を検出するための加速度センサを併用し、それぞれの検出結果を加算したものを最終的な検出結果とする上記（１）記載の加速度センサに存する。
【００１０】
また、本発明は、（４）、前記変位センサと前記アクチュエータを、前記運動物体に取り付けた際に、前記質量体が前記運動物体と離間する上記（１）記載の加速度センサに存する。
【００１１】
また本発明は、（５）、前記変位センサと前記質量体の接合面が、前記運動物体の加速度方向と直行するように前記運動物体に取り付けられる上記（１）記載の加速度センサに存する。
【００１２】
また本発明は、（６）、前記変位センサと前記アクチュエータとが前記運動物体に対して共通に取り付けられる上記（５）記載の加速度センサに存する。
【００１３】
また、本発明は、（７）、前記アクチュエータの電極層が前記運動物体に取り付けられる上記（５）記載の加速度センサに存する。
【００１４】
また、本発明は、（８）、アレイ化させた状態で用いる上記（１）記載の加速度センサに存する。
【００１５】
なお、本発明の目的に添ったものであれば上記（１）から（８）を適宜組み合わせた構成も採用可能である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の加速度センサによれば、アクチュエータが変位センサに加わる力と同じ大きさで且つ逆向きのアクチュエータ力を変位センサに対して加えるので、変位センサの変位、即ち変位センサの撓みを強制的に元に戻して水平な状態にすることができる。
その結果リーク電流の発生を極力防ぎ、正確に変位センサに加わる力の大きさを検出することができる。
そして、変位センサに加わる力の大きさと変位センサに接合された質量体に加わる慣性力の大きさは同じであることより、検出制御部に適当な演算を行わせることで、本発明の加速度センサが取り付けられた運動物体の正確な加速度を算出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
〔第一の実施形態〕
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本実施形態に係る加速度センサ（以降、「アクティブ型加速度センサ」と表記する）の構造を模式的に示す説明図である。
図１に示すように、アクティブ型加速度センサＸは、変位センサ用圧電体１、変位センサ用電極層２、アクチュエータ用圧電体３、アクチュエータ用電極層４、加速度検出用の質量体５、及び検出制御部６を備える。
【００１８】
変位センサＡは変位センサ用圧電体１が二枚の変位センサ用電極層２に挟まれた状態で接合され、一体形成される。
また、同様にアクチュエータＢもアクチュエータ用圧電体３が二枚のアクチュエータ用電極層４に挟まれた状態で接合され、一体形成される。
そして、変位センサ用電極層２と、アクチュエータ用電極層４と、を接合し、変位センサＡとアクチュエータＢを一体化させる。
質量体５を変位センサ用電極層２に接合し、一体化させる。
変位センサ用電極層２及びアクチュエータ用電極層４が、検出制御部６と接続されることでアクティブ型加速度センサＸが構成される。
【００１９】
後述するように、アクチュエータＢは検出制御部６から発信される信号を受信し、変位センサの撓みを強制的に元に戻す機能を有する。
また、この場合、変位センサＡ、アクチュエータＢ及び質量体５が加速度の検出対象となる運動物体に取り付けられて使用されるが、検出制御部６は運動物体が加速度運動をした際に、これらの構成要素部品が行う加速度運動の影響を受けないような状態で、回線等を介して変位センサＡ及びアクチュエータＢに接続される。検出制御部６を構成要素部品の運動の影響を受けない状態にすることで、検出制御部６を正確に作動させることができる。
【００２０】
変位センサＡは、アクティブ型加速度センサＸが加速度運動を行うと、その加速度の大きさに応じた電圧（または電荷）を発生させる機能を有する。
すなわち、アクティブ型加速度センサＸが加速度運動を行うと、質量体５に慣性力が加わり、同時に変位センサＡにも慣性力と同じ大きさで同じ向きの力が加わり、変位センサＡが変位し、即ち変位センサＡが撓み、電圧が発生する。
ここで、変位センサＡに使用される変位センサ用圧電体１の材料は、アクティブ型加速度センサＸを使う環境、測定範囲、必要とする感度等によって決まり、例えば窒化アルミニウム、水晶、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ニオブ酸リチウム、ポリフッ化ビニリデン等を採用することができる。
例えば高温環境下で使用する場合は耐熱温度とキュリー温度が高い窒化アルミニウムを用いることが好ましい。
また、変位センサ用電極層２の材料についても適宜自由に選択すること可能であり、高温環境下で使用する場合は白金、インコネル、シリコンカーバイド等の耐熱性導電材料を用いる。
【００２１】
アクチュエータＢは、変位センサＡに発生する電圧の大きさに対応して後述する検出制御部６が発信する信号を受信することで、変位センサＡに加わる力と同じ大きさで、逆向きの力（以降、この力を「アクチュエータ力」と表記する。）を変位センサＡに対して加える。
これにより、変位センサＡを強制的に元の水平な状態に戻し、変位センサＡ表面に発生する電圧を零にする。 
【００２２】
ここで、アクチュエータ用圧電体３の材料は、変位センサＡと同様にアクティブ型加速度センサＸを使う環境、測定範囲、必要とする感度等によって決まり、例えば窒化アルミニウム、水晶、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ニオブ酸リチウム、ポリフッ化ビニリデン等を採用することができる。
例えば高温環境下で使用する場合は耐熱温度とキュリー温度が高い窒化アルミニウムを用いることが好ましい。
また、アクチュエータ用電極層４の材料についても適宜自由に選択すること可能であり、高温環境下で使用する場合は白金、インコネル、シリコンカーバイド等の耐熱性導電材料を用いる。
【００２３】
加速度検出用の質量体５は変位センサ用圧電体１に比べて、より大きい質量（５倍〜１０倍程度）を持つある一定の体積を占める物体で、例えば錘がそれに相当する。
そして、質量体５はアクティブ型加速度センサＸの感度を高くするように機能する。
すなわち、質量体５を変位センサＡに接合することで、変位センサ用圧電体１には、変位センサ用圧電体１に加わる慣性力だけではなく、質量体５に加わる慣性力と同じ大きさの力も加わるので、検出する加速度が小さい場合でも検出制御部６が検出可能な電圧を発生させることができる。
結果として、アクティブ型加速度センサＸの感度が高くなる。
【００２４】
ただし、アクティブ型加速度センサＸを加速度の検出対象となる運動物体に取り付けた際に、質量体５は該運動物体から離間している必要がある。
質量体５と前記運動物体が接触すると摩擦力の影響により、変位センサ用圧電体１に加わる力と質量体５に加わる慣性力の大きさが異なるものとなり、正確な加速度の検出が行われなくなるからである。
質量体５として用いることができる材料は、剛体としてみなすことが可能な材料であれば、その種類は限定されるものではなく、その質量も使用する状況に応じて適宜自由に選択して構わない。
【００２５】
検出制御部６は変位センサＡに発生する電圧を検出し、該発生電圧の大きさに対応した電圧信号をアクチュエータＢに発信し、アクチュエータＢにアクチュエータ力を発生させる機能を有する。
また、検出制御部６は、変位センサＡに加わる力と同じ大きさのアクチュエータ力Ｆ３の大きさを特定し、該特定したアクチュエータ力Ｆ３の大きさを基に演算を行い、アクティブ型加速度センサＸの加速度を算出する機能も有する。
【００２６】
通常、検出制御部６は運動物体Ｙの加速度を検出する際に、アクティブ型加速度センサＸと、運動物体Ｙとの取り付け角度を考慮して補正計算を行い、加速度を算出する。
後述する変位センサＡに加わる力Ｆ２と、質量体５に加わる慣性力Ｆ１とでその大きさに差が生じるためである。
そして、この補正計算の際に、検出誤差が生じることがある。
しかし、図２に示すように、アクティブ型加速度センサＸが、変位センサＡと質量体５との接合面と、検出対象となる運動物体Ｙの加速度方向と、が直行するように運動物体に取り付けると、質量体５に加わる慣性力の大きさと変位センサに加わる力の大きさを同じにすることができる。
その結果、検出制御部６が運動物体の加速度を算出する際の角度の補正計算を行う必要がなくなり、より正確な加速度の検出を行うことが可能となる。
【００２７】
以下、アクティブ型加速度センサの加速度検出の原理について図を用いて説明する。
図３〜図６はアクティブ型加速度センサの加速度検出原理を模式的に示した図である。
運動物体Ｙが加速度運動を行うと、質量体５も運動物体Ｙと同じ加速度で加速度運動し、慣性力Ｆ１が質量体５に加わる。
そして、変位センサＡと質量体５は接合されているので、変位センサＡにも慣性力Ｆ１と同じ大きさで且つ同じ向きの力Ｆ２が加わり、変位センサＡは一定量撓む。
結果として、変位センサＡの一部である変位センサ用圧電体１も一定量撓み、その表面に電荷Ｑが発生する。
なお、このとき変位センサ用圧電体１も加速度運動を行っているので、変位センサ用圧電体１にも慣性力が加わるが、その慣性力の大きさは力Ｆ２に比べ極めて小さいので、力Ｆ２のみが変位センサ用圧電体１に作用しているとみなすことができる。
【００２８】
変位センサ用圧電体１の表面に発生した電荷Ｑは電場を形成し、変位センサ用電極層２の表面には、同量の電荷が発生する（図３参照）。
その結果、変位センサ用電極層２に電圧が発生する。
【００２９】
変位センサ用電極層２に発生した電圧を検出制御部６が検出し、該電圧の大きさに対応した電圧信号をアクチュエータＢに対して発信する。
そしてアクチュエータＢがその電圧信号を受信すると、該電圧信号に応じたアクチュエータ力Ｆ３を変位センサＡに対して加える。
【００３０】
この結果、変位センサＡに加わる力は釣り合い、変位センサＡは強制的に元の水平な状態に戻される。
変位センサＡの撓み量が零になることで、変位センサＡから電荷が消滅する（図４参照）。
【００３１】
電荷が消滅した後、運動物体Ｙの加速度が変化し、それに伴い質量体５に加わる慣性力Ｆ１の大きさが変化すると、その変化した慣性力Ｆ１の大きさに応じた電荷ｑが変位センサ用圧電体１の表面に発生する。
そして、変位センサ用電極層２の表面にも電荷ｑが発生し、変位センサ用電極層２に電圧が発生する。（図５参照）。
【００３２】
検出制御部６は、発生した電圧の大きさに対応した電圧信号を、再びアクチュエータＢに対し発信する。電圧信号を受信したアクチュエータＢは、アクチュエータ力Ｆ３を発生させ、変位センサＡを再び水平な状態に戻す。
その結果、再び変位センサＡから電荷が全て消滅する（図６参照）。
以後、運動物体Ｙの加速度が変化した場合は、図４に示した状態と同一であるので、図５〜図６に示した作用によりアクティブ型加速度センサＸは、加速度が変化に応じて、その都度変位センサＡを水平な状態に戻す。
【００３３】
一方、検出制御部６は検出した電圧の大きさから、慣性力Ｆ１と同じ大きさであるアクチュエータ力Ｆ３の大きさを一意的に特定し、そのアクチュエータ力Ｆ３の大きさを質量体５の質量で除する演算を行うことで間接的に運動物体Ｙの加速度を検出している。
【００３４】
また、変位センサに力が加わり、その後変位センサに加わる力が釣り合い、再び水平な状態に戻るまでに必要な時間ｔ０が短いほど（例えば時定数Ｔよりも短い時間）リーク電流による電荷流出を抑制することができる。
その結果、さらに正確な加速度の検出を行うことができる。
【００３５】
以上述べたように、本実施形態に係るアクティブ型加速度センサは加速度の直流成分及び時間ｔ０よりも長い周期で大きさが変化する加速度の低周波成分を正確に検出することができる。
【００３６】
〔第二の実施形態〕
図７は、併用型加速度センサの構成を模式的に示す説明図である。
図６に示すように、併用型加速度センサＺは上記実施形態に係るアクティブ型加速度センサと高周波数領域の加速度の検出を得意とする従来型の加速度センサＰを併設したものである。
高周波数領域の加速度の検出を得意とする従来型の加速度センサＰとして採用されるものは、併用型加速度センサＺが使用される環境に適応したものであるならば、その種類は特に限定されるものではない。
このように、加速度の直流・低周波成分の検出を得意とするアクティブ型加速度センサＸと高周波数領域の加速度の検出を得意とする従来型の加速度センサＰを併設して、二つの加速度センサで加速度の検出を行うことで、広帯域な加速度の検出が可能になる。
【００３７】
その検出原理を説明すると、併用型加速度センサＺが加速度運動を行った場合、アクティブ型加速度センサＸが加速度の直流成分と低周波成分を検出し、加速度センサＰが加速度の高周波成分の検出を行う。
それぞれの検出結果を検出制御部６が加算し、加算結果を最終的な検出結果とする。
二種類のセンサがそれぞれの最も正確に検出できる帯域の加速度を検出し、それぞれの検出結果を加算させることで、より広帯域且つ正確な加速度検出を行うことができる。
【００３８】
〔第三の実施形態〕
図８はアクティブ型加速度センサをアレイ化させた状態を模式的に示す説明図である。
図８に示すように運動物体Ｙに、アクティブ型加速度センサＸがアレイ化されて取り付けられた場合、それぞれのアクティブ型加速度センサが、それぞれの配置されている場所の加速度を検出するので、加速度の分布の様子を測定することが可能となる。
【００３９】
以上、本発明を説明してきたが、本発明は実施の形態に限定されることなく種々の変形例が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】図１は、アクティブ型加速度センサの構成を模式的に示す説明図である。
【図２】図２は、アクティブ型加速度センサを、質量体と変位センサ用電極層との接合面が、運動物体の加速度方向と直行するように運動物体に配置した様子を模式的に示す説明図である。
【図３】図３は、アクティブ型加速度センサの検出原理を模式的に示す説明図である。
【図４】図４は、アクティブ型加速度センサの検出原理を模式的に示す説明図である。
【図５】図５は、アクティブ型加速度センサの検出原理を模式的に示す説明図である。
【図６】図６は、アクティブ型加速度センサの検出原理を模式的に示す説明図である。
【図７】図７は、併用型加速度センサの構造を模式的に示す説明図である。
【図８】図８は、アクティブ型加速度センサをアレイ化させた状態を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
【００４１】
１    変位センサ用圧電体
２    変位センサ用電極層
３    アクチュエータ用圧電体
４    アクチュエータ用電極層
５    質量体
６    検出制御部
Ａ    変位センサ
Ｂ    アクチュエータ
Ｆ１    慣性力
Ｆ２    力
Ｆ３    アクチュエータ力
Ｐ    高周波数領域の加速度の検出を得意とする従来型の加速度センサ
Ｘ    アクティブ型加速度センサ
Ｙ    運動物体
Ｚ    併用型加速度センサ
【図１】
2007263916.tif 000003
【図２】
2007263916.tif 000004
【図３】
2007263916.tif 000005
【図４】
2007263916.tif 000006
【図５】
2007263916.tif 000007
【図６】
2007263916.tif 000008
【図７】
2007263916.tif 000009
【図８】
2007263916.tif 000010