DE69302953T2

DE69302953T2 - Beschleunigungsmessaufnehmer

Info

Publication number: DE69302953T2
Application number: DE69302953T
Authority: DE
Inventors: Takeshi Nakamura
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1992-04-10
Filing date: 1993-04-06
Publication date: 1996-12-19
Anticipated expiration: 2013-04-07
Also published as: EP0565065B1; DE69302953D1; US5415039A; JP3151927B2; EP0565065A1; JPH05288774A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Beschleunigungssensor. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen Beschleunigungssensor mit einem Vibrator einer polygonalen Prismenform und piezoelektrischen Elementen, die auf Seitenflächen des Vibrators gebildet sind.
Als ein herkömmlicher Beschleunigungssensor unter Verwendung eines piezoelektrischen Körpers waren ein Auslegertyp, der durch ein Ende des piezoelektrischen Körpers gehalten wird, oder ein Doppelträger-Typ, der durch beide Enden gehalten wird, erhältlich.
Jedoch sind solche bekannte Beschleunigungssensoren nicht in der Lage, leichte Beschleunigungen im Bereich von 0,001 G zu erfassen.
Die DE 3817354A1 offenbart Beschleunigungssensoren. Der Sensor, der in Fig. 7 gezeigt ist, weist ein plattenartiges Vibrationsbauglied auf, das aus einem elektrisch leitfähigen Material und zwei piezoelektrischen Elementen besteht, die auf beiden Hauptoberflächen des plattenartigen Vibrationsbauglieds angebracht sind. Elektroden der piezoelektrischen Elemente sind zum Erfassen einer positiven oder negativen elektrischen Ladung verwendet, welche abhängig von der Beschleunigung, die durch den Sensor erfaßt wird, erzeugt wird. Die piezoelektrischen Elemente sind derart polarisiert, daß ein Strom gleicher Richtung durch beide Elemente erzeugt wird. Dieser bekannte Beschleunigungssensor ist ein passives Erfassungselement und kein aktiv betriebenes Element.
Ausgehend von dem obigen Stand der Technik basiert die Erfindung auf der Aufgabe, einen Beschleunigungssensor zu schaffen, der leichte Beschleunigungen mit einer verbesserten Genauigkeit messen kann.
Diese Aufgabe wird durch einen Sensor gemäß Anspruch 1 gelöst.
Der Beschleunigungssensor weist einen Vibrator einer polygonalen Prismenform auf, welcher bezüglich seiner Achse rotationssymmetrisch ist, sowie piezoelektrische Elemente, die auf einer Mehrzahl der Seitenflächen des Vibrators gebildet sind, welche rotationssymmetrisch bezüglich der Achse des Vibrators sind, wobei die Richtung der Polarisation der piezoelektrischen Elemente bezüglich der Achse des Vibrators die gleiche ist.
Bei diesem Vibrator ist eine Resonanzfrequenz der Longitudinaischwingung auf eine Resonanzfrequenz der Biegeschwingung abgeglichen
Der Vibrator schwingt in der Longitudinalrichtung durch das Anlegen eines Treibersignals der gleichen Phase an die Mehrzahl der piezoelektrischen Elemente, um dem Vibrator eine Trägheit zu vermitteln. Wenn in diesem Zustand eine Beschleunigung auf den Vibrator in der Richtung senkrecht zu seiner Seitenfläche ausgeübt wird, wird der Vibrator abgelenkt. Die Ablenkung des Vibrators wird durch das Abgleichen der Resonanzfrequenz der Longitudinalschwingung des Vibrators und der Resonanzfrequenz der Biegeschwingung des Vibrators groß.
Wenn der Vibrator durch das Ausüben einer Beschleunigung auf denselben abgelenkt wird, werden in den piezoelektrischen Elementen bei der vorliegenden Erfindung abhängig von einer Größe der Ablenkung Spannungen erzeugt. Durch das Messen der Spannungen der piezoelektrischen Elemente können die Richtung, in die die Beschleunigung ausgeübt wird, und der Beschleunigungswert gemessen werden. Die Ablenkung des Vibrators wird durch das Abgleichen der Resonanzfrequenz der Longitudinalschwingung des Vibrators und der Resonanzfrequenz der Biegeschwingung des Vibrators groß, wodurch ermöglicht wird, daß eine leichte Beschleunigung erfaßt wird.
Die oben genannten und weitere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung mit den beiliegenden Zeichnungen offensichtlicher.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.
Fig. 2 ist eine Schnittansicht, die den Beschleunigungssensor von Fig. 1 zeigt.
Fig. 3 ist eine darstellende Ansicht, die einen Zustand zeigt, bei dem keine Beschleunigung auf den Beschleunigungssensor von Fig. 1 ausgeübt wird.
Fig. 4 ist eine darstellende Ansicht, die einen Zustand zeigt, bei dem eine Beschleunigung auf den Beschleunigungssensor von Fig. 1 ausgeübt wird.
Fig. 5 ist eine darstellende Ansicht, die ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt, während Fig. 2 ein Querschnitt desselben ist. Der Beschleunigungssensor 10 weist beispielsweise einen regelmäßigen, vierseitigen, prismenförmigen Vibrator 12 auf. Der Vibrator 12 ist beispielsweise aus einem beständigen elastischen Metallmaterial, beispielsweise Elinvar, gebildet. Auf zwei gegenüberliegenden Seitenflächen des Vibrators 12 sind piezoelektrische Elemente 14 und 16 jeweils auf deren Mittelabschnitten gebildet. Das piezoelektrische Element 14 weist einen piezoelektrischen Körper 14a auf, der beispielsweise aus einer piezoelektrischen Keramik oder dergleichen besteht. Auf beiden Oberflächen des piezoelektrischen Körpers 14a sind Elektroden 14b und 14c gebildet. Ferner ist die eine Elektrode 14c mit einer Seitenfläche des Vibrators 12 verbunden. In gleicher Weise weist das piezoelektrische Element 16 einen piezoelektrischen Körper 16a auf, wobei auf beiden Oberflächen desselben Elektroden 16b bzw. 16c gebildet sind. Eine Elektrode 16c ist mit einer Seitenfläche des Vibrators 12 verbunden. Die piezoelektrischen Körper 14a und 16a dieser piezoelektrischen Elemente 14 und 16 sind jeweils von der Außenseite zu der Seite des Vibrators 12 hin polarisiert. Das heißt, daß der piezoelektrische Körper 14a von der Seite der Elektrode 14b zu der Seite der Elektrode 14c hin polarisiert ist, während der piezoelektrische Körper 16a von der Seite der Elektrode 16b zu der Seite der Elektrode 16c hin polarisiert ist. Auf den Mittelpunkten der Seitenflächen des Vibrators 12, auf denen die piezoelektrischen Elemente nicht gebildet sind, sind Trägerbauglieder 18 zum Tragen des Vibrators 12 befestigt.
Wie in Fig. 3 gezeigt ist, ist eine Oszillationsschaltung 20 parallel zu den piezoelektrischen Elementen 14 und 16 des Beschleunigungssensors 10 geschaltet. Ein Signal von der Oszillationsschaltung 20 wird über einen Widerstand 22 bzw. 24 an die piezoelektrischen Elemente 14 und 16 angelegt. Die Signale, die an die piezoelektrischen Elemente 14 und 16 angelegt werden, weisen jeweils die gleiche Phase auf. Da die jeweiligen piezoelektrischen Elemente 14 und 16 von der Außenseite zu der Seite des Vibrators 12 hin polarisiert wurden, schwingt der Vibrator 12 in seiner Longitudinalrichtung, wie durch die Pfeile in Fig. 3 gezeigt ist. Durch die Schwingung des Vibrators 12 in seine Longitudinalrichtung wird demselben eine Trägheit vermittelt.
Außerdem sind die piezoelektrischen Elemente 14 und 16 jeweils mit Eingangsanschlüssen eines Operationsverstärkers 26 für eine Differentialverstärkung verbunden. Daher wird eine Ausgabe, die einer Spannungsdifferenz zwischen den Spannungen, die in den piezoelektrischen Elementen 14 und 16 erzeugt werden, am Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 26 erhalten. Wenn keine Beschleunigung auf den Vibrator 12 ausgeübt wird, weisen die Spannungen, die in den piezoelektrischen Elementen 14 und 16 erzeugt werden, den gleichen Wert und die gleiche Phase auf. Daher ist die Ausgabe des Operationsverstärkers 26 Null.
In einem Schwingungszustand des Vibrators 12, wenn eine Beschleunigung in der Richtung senkrecht zu den Flächen der piezoelektrischen Elemente 14 und 16 auf den Vibrator 12 ausgeübt wird, wird der Vibrator 12 abgelenkt, wie in Fig. 4 gezeigt ist. Spannungen werden aufgrund der Ablenkung des Vibrators 12 in den piezoelektrischen Elementen 14 und 16 erzeugt, wobei die Spannungen eine entgegengesetzte Phase aufweisen. Daher wird eine Ausgabe von dem Operationsverstärker 26 erhalten, die einer Spannungsdifferenz zwischen den Spannungen, die in den piezoelektrischen Elementen 14 und 16 erzeugt werden, entspricht. Wenn die Ausgabe des Operationsverstärkers 26 gemessen wird, kann folglich eine Beschleunigung, die auf den Beschleunigungssensor 10 ausgeübt wird, erfaßt werden.
Da die piezoelektrischen Körper 14a und 16a von der Außenseite zu der Seite des Vibrators 12 hin polarisiert wurden, weisen bei dem Beschleunigungssensor 10 die Spannungen, die in den piezoelektrischen Elementen 14 und 16 erzeugt werden, wenn eine Beschleunigung ausgeübt wird, jeweils eine entgegengesetzte Phase auf. Daher kann, wenn ein Spannungsunterschied zwischen den Ausgangsspannungen der piezoelektrischen Elemente 14 und 16 gemessen wird, ein großer Ausgabewert erhalten werden. Folglich kann eine schwache Beschleunigung korrekt gemessen werden. Wenn die Resonanzfrequenz der Longitudinalschwingung des Vibrators 12 auf die Resonanzfrequenz der Biegeschwingung des Vibrators 12 abgeglichen wird, wird außerdem die Ablenkung des Vibrators 12 b bei der Ausübung einer Beschleunigung groß. Daher kann der Sensor eine leichte Beschleunigung erfassen, wodurch eine gute Empfindlichkeit geliefert wird.
Fig. 5 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Vibrator 12 in einer regelmäßigen dreiseitigen Prismenform ausgebildet. Ferner sind auf dem Mittelabschnitt jeder Seitenfläche des Vibrators 12 piezoelektrische Elemente 30, 32 und 34 gebildet. Die piezoelektrischen Körper dieser piezoelektrischen Elemente 30, 32 und 34 sind ebenfalls von der Außenseite zu der Seite des Vibrators 12 hin polarisiert. Eine Oszillationsschaltung 20 ist über Widerstände 36, 38 bzw. 40 parallel zu diesen piezoelektrischen Elementen 30, 32 und 34 geschaltet.
Zwei der piezoelektrischen Elemente 30, 32 und 34 sind kombiniert und mit Eingangsanschlüssen von Operationsverstärkern 42, 44 und 46 verbunden. Das heißt, daß die piezoelektrischen Elemente 30 und 32 mit den zwei Eingangsanschlüssen des Operationsverstärkers 46 verbunden sind, während die piezoelektrischen Elemente 32 und 34 mit den zwei Eingangsanschlüssen des Operationsverstärkers 44 verbunden sind, und die piezoelektrischen Elemente 30 und 34 mit den zwei Eingangsanschlüssen des Operationsverstärkers 42 verbunden sind.
Bei diesem Beschleunigungssensor 10 schwingt der Vibrator 12 ferner durch das Signal der Oszillationsschaltung 20 in seine longitudinale Richtung. Wenn in diesem Stand eine Beschleunigung in die Richtung senkrecht zu der Achse des Beschleunigungssensors 10 auf den Vibrator 12 ausgeübt wird, wird der Vibrator 12 abgelenkt. Abhängig von der Ablenkung des Vibrators 12 werden in den jeweiligen piezoelektrischen Elementen 30, 32 und 34 Spannungen erzeugt. Das heißt, daß bei den piezoelektrischen Elementen 30, 32 und 34 die Spannung, die einer Beschleunigungskomponente in der Richtung senkrecht zu jeder Seitenfäche des Vibrators 12 entspricht, erzeugt wird. Ferner wird von den jeweiligen Operationsverstärkern 42, 44 und 46 eine Ausgabe erhalten, die einer Spannungsdifferenz zwischen den Ausgangsspannungen der piezoelektrischen Elemente, die mit den jeweiligen Eingangsanschlüssen des Operationsverstärkers verbunden sind, entspricht. Wenn die Werte der Ausgaben von diesen Operationsverstärkern 42, 44 und 46 gemessen werden, kann daher der Wert und die Richtung der Beschleunigung erfaßt werden.
Außerdem kann der Vibrator 12 andere Formen, einschließlich beispielsweise einer regelmäßigen pentagonalen Prismenform, aufweisen. In diesem Fall ist das piezoelektrische Element auf dem mittleren Abschnitt jeder Seitenfläche des regelmäßigen pentagonalen prismenförmigen Vibrators gebildet. Ferner ist der piezoelektrische Körper jedes piezoelektrischen Elements von der Außenseite zu der Vibratorseite hin polarisiert. Wie oben erwähnt wurde, kann eine beliebige Form des Vibrators 12 verwendet werden, solange es eine Prismenform ist, die bezüglich ihrer Achse rotationssymmetrisch ist. In diesem Fall sind die piezoelektrischen Elemente nicht notwendigerweise auf allen Seitenflächen des Vibrators gebildet, wobei es jedoch notwendig ist, daß die piezoelektrischen Elemente in einer Rotationssymmetrie zu der Prismenachse angeordnet sind. Ferner ist die Form des Vibrators 12 nicht auf eine regelmäßige polygonale Prismenform begrenzt, wobei eine beliebige polygonale Prismenform verwendet werden kann, wenn dieselbe bezüglich ihrer Achse rotationssymmetrisch ist. Ferner sind bei den obigen Ausführungsbeispielen die piezoelektrischen Körper von der Außenseite zu der Vibratorseite hin polarisiert, wobei jedoch alle piezoelektrischen Körper von der Vibratorseite zu der Außenseite hin polarisiert sein können. Das heißt, daß jede Polarisationsrichtung der piezoelektrischen Körper akzeptabel ist, wenn dieselben bezüglich der Achse des Vibrators die gleiche Richtung aufweisen.
Aus dem vorher Gesagten wird offensichtlich, daß, obwohl die vorliegende Erfindung detailliert beschrieben und dargestellt wurde, dies nur spezielle Darstellungen und Beispiele sind, wobei die Erfindung nicht auf diese begrenzt ist. Der Bereich der Erfindung ist nur durch die beigefügten Ansprüche begrenzt.

Claims

1. Ein Beschleunigungssensor mit folgenden Merkmalen:

einem Vibrator (12) mit einer polygonalen Prismenform, welcher rotationssymmetrisch bezüglich seiner Achse ist, und

piezoelektrischen Elementen (14, 16; 30, 32, 34), die auf einer Mehrzahl von Seitenflächen des Vibrators (12) gebildet sind, welche rotationssymmetrisch bezüglich der Achse des Vibrators (12) sind,

wobei alle piezoelektrischen Elemente (14, 16; 30, 32, 34) in eine Richtung senkrecht zu der jeweiligen Seitenfläche polarisiert sind, und wobei alle piezoelektrischen Elemente (14, 16; 30, 32, 34) entweder von der Außenseite zu der Vibratorseite (12) hin oder von der Vibratorseite (12) zu der Außenseite hin gleich polarisiert sind,

wobei der Beschleunigungssensor ferner folgende Merkmale aufweist:

eine Einrichtung (20) zum Anlegen eines Treibersignals der gleichen Phase an die Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen (14, 16; 30, 32, 34), derart, daß der Vibrator (12) in seiner Axialrichtung schwingt, und

eine Einrichtung (26; 42, 44, 46) zum Bestimmen einer Beschleunigung durch das Messen einer Spannungsdifferenz zwischen den piezoelektrischen Elementen (14, 16; 30, 32, 34), die durch eine Ablenkung des Vibrators (12) als Reaktion auf die Beschleunigung, die senkrecht zu der Achse ausgeübt wird, bewirkt wird.

2. Ein Beschleunigungssensor gemäß Anspruch 1, bei dem die Resonanzfrequenz der Longitudinalschwingung des Vibrators (12) und die Resonanzfrequenz der Biegeschwingung des Vibrators (12) gleich sind.

3. Ein Beschleunigungssensor gemäß Anspruch 2, bei dem die Richtung der Polarisation der piezoelektrischen Elemente (14, 16; 30, 32, 34) die Richtung von der Außenseite zu der Vibratorseite (12) hin ist.

4. Ein Beschleunigungssensor gemäß Anspruch 3, bei dem der Vibrator (12) in einer vierseitigen Prismenform ausgebildet ist, und bei dem die piezoelektrischen Elemente (14, 16) auf gegenüberliegenden Seitenflächen des Vibrators (12) ausgebildet sind.

5. Ein Beschleunigungssensor gemäß Anspruch 3, bei dem der Vibrator (12) in einer dreiseitigen Prismenform ausgebildet ist, wobei die piezoelektrischen Elemente (30, 32, 34) auf drei Seitenflächen des Vibrators (12) gebildet sind.

6. Ein Beschleunigungssensor gemäß Anspruch 2, bei dem die Richtung der Polarisation der piezoelektrischen Elemente (14, 16; 30, 32, 34) die Richtung von der Vibratorseite (12) zu der Außenseite ist.

7. Ein Beschleunigungssensor gemäß Anspruch 6, bei dem der Vibrator (12) in einer vierseitigen Prismenform ausgebildet ist, wobei die piezoelektrischen Elemente (14, 16) auf gegenüberliegenden Seitenflächen des Vibrators (12) gebildet sind.

8. Ein Beschleunigungssensor gemäß Anspruch 6, bei dem der Vibrator (12) in einer dreiseitigen Prismenform ausgebildet ist, wobei die piezoelektrischen Elemente (30, 32, 34) auf drei Seitenflächen des Vibrators (12) gebildet sind.