JP2020030081A - Piezoelectric acceleration sensor - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、圧電型加速度センサ、特に圧電素子の温度特性を補償する圧電型加速度センサに関する。
【解決手段】本発明は、圧電型電荷出力加速度センサの検出部8に温度補正用コンデンサ9を直列に接続し、前記温度補正用コンデンサ9の静電容量を、前記温度補正用コンデンサ9と圧電型電荷出力加速度センサの検出部8によって合成される静電容量の温度係数が、前記検出部8の電圧感度の温度係数との積が1となる値とすることで、前記電荷感度の温度特性を平坦化させた圧電型電荷出力加速度センサにより提供される。
【選択図】図6The present invention relates to a piezoelectric acceleration sensor, and more particularly to a piezoelectric acceleration sensor that compensates for temperature characteristics of a piezoelectric element.
A temperature correction capacitor is connected in series to a detection unit of a piezoelectric charge output acceleration sensor, and the capacitance of the temperature correction capacitor is changed to the temperature correction capacitor. The temperature coefficient of the capacitance synthesized by the detection unit 8 of the type charge output acceleration sensor is set to a value such that the product of the temperature coefficient of the detection unit 8 and the temperature coefficient of the voltage sensitivity becomes 1 to obtain a temperature characteristic of the charge sensitivity. Is provided by a piezoelectric charge output acceleration sensor in which is flattened.
[Selection diagram] FIG.
Description
本発明は、圧電型加速度センサ、特に圧電素子の温度特性を補償する圧電型加速度センサに関する。 The present invention relates to a piezoelectric acceleration sensor, and more particularly, to a piezoelectric acceleration sensor that compensates for temperature characteristics of a piezoelectric element.
圧電型加速度センサは、検出素子である圧電素子に負荷質量を保持させる構造となっており、センサに加速度が加わった場合、負荷質量には慣性力が働き、この負荷質量を保持している圧電素子にはその慣性力が加わる。圧電素子は力が加えられるとその力に比例した電荷を発生する特性を持つことから、圧電素子に加わった慣性力によって電荷が発生する。結果、圧電型加速度センサの電荷出力は加わった加速度に比例し加速度信号として利用できる。一般的な圧電型加速度センサは、具体的には図1に示すような構造からなる。電極板3を挟んで2層の圧電素子1、1、及び負荷質量2を締め付けネジ4によりケース6に締め付けている。圧電素子により発生した電荷はこの電極板3からコネクタ5、導線7を経由し、図示しない計測装置(チャージアンプなどの増幅器)等に出力される。
Piezoelectric acceleration sensors have a structure in which a piezoelectric element, which is a detection element, holds a load mass. When acceleration is applied to the sensor, inertial force acts on the load mass, and the piezoelectric element holding the load mass The element exerts its inertial force. Since a piezoelectric element has a characteristic of generating an electric charge proportional to a force applied thereto, an electric charge is generated by an inertial force applied to the piezoelectric element. As a result, the charge output of the piezoelectric acceleration sensor is proportional to the applied acceleration and can be used as an acceleration signal. A general piezoelectric acceleration sensor has a structure as shown in FIG. Two layers of the
通常、この電荷発生型のセンサからの信号は、一般にチャージアンプと呼称される電荷信号変換アンプを用いて電荷を電圧信号に変換している。逆位相で無限大のゲインを持つアンプの反転入力と出力間に帰還コンデンサ(積分コンデンサ)を設けた電荷信号変換アンプ方式が多用されている。このように、圧電センサから出力される電荷信号は、チャージアンプによって電圧信号に変換され、その後加速度信号として各種信号処理され利用されてきた。 Normally, a signal from this charge generation type sensor converts charges into a voltage signal using a charge signal conversion amplifier generally called a charge amplifier. A charge signal conversion amplifier system in which a feedback capacitor (integration capacitor) is provided between an inverting input and an output of an amplifier having an infinite gain with an opposite phase is often used. As described above, the charge signal output from the piezoelectric sensor has been converted into a voltage signal by the charge amplifier, and then subjected to various signal processing as an acceleration signal and used.
このような、圧電型加速度センサは、他の方式(サーボ式、半導体式や歪みゲージ式)と比較して堅牢で周波数帯域も、使用加速度範囲も広く、また使用温度範囲も広いという特徴があり、このため特に産業用に広く使用されてきた。
しかしながら、圧電型加速度センサの感度特性は温度の影響を受けるという課題解決が求められていた。すなわち、圧電型加速度センサは、検出素子である圧電素子の特性に温度特性があり、温度が変化すると同じ力が加わっても発生する電荷量が変化する。またこの検出素子を保持する部材など(主に金属)も温度によって膨張/収縮し検出素子を固定している力が変化して、検出素子の電荷を発生する特性にも影響する欠陥が避けられない。
したがって、圧電型加速度センサの感度特性における温度の影響を回避する対策が必要となっていた。
Compared with other methods (servo type, semiconductor type, strain gauge type), such a piezoelectric acceleration sensor is more robust, has a wider frequency band, a wider use acceleration range, and a wider use temperature range. For this reason, it has been widely used especially for industrial purposes.
However, there has been a demand for a solution to the problem that the sensitivity characteristics of the piezoelectric acceleration sensor are affected by temperature. That is, in the piezoelectric acceleration sensor, the characteristics of the piezoelectric element serving as the detecting element have a temperature characteristic, and when the temperature changes, the amount of generated charge changes even when the same force is applied. In addition, the members that hold the detection element (mainly metals) expand and contract due to temperature, and the force that fixes the detection element changes, thereby avoiding defects that affect the characteristics of the detection element that generate electric charge. Absent.
Therefore, measures have been required to avoid the influence of temperature on the sensitivity characteristics of the piezoelectric acceleration sensor.
この対策として、圧電素材自体その附属する部材、また、検出した加速度のデータを電気的に補正する方法の研究が求められてきた。前者にあっては、圧電素子の材料特性を改良することが必要とされ、特殊な材質の圧電素子が必要となっていた。しかしながら、温度による変動の少ない圧電素材は、検出感度が非常に低くなることが多い。またセンサに附属する部材に熱膨張係数の少ない材料を採用する方法もあるが、十分に熱膨張係数の影響を抑えることが困難であった。 As a countermeasure, research has been required for a method of electrically compensating the piezoelectric material itself and the members attached to the piezoelectric material and the detected acceleration data. In the former case, it is necessary to improve the material characteristics of the piezoelectric element, and a piezoelectric element made of a special material is required. However, the detection sensitivity of a piezoelectric material with little fluctuation due to temperature is often extremely low. There is also a method of using a material having a low coefficient of thermal expansion for a member attached to the sensor, but it has been difficult to sufficiently suppress the influence of the coefficient of thermal expansion.
後者にあっては、別途温度センサを内蔵し、検出した加速度のデータを電気的に補正する方法もあるが、この方法では、温度センサを検出素子と温度が一致する環境に設置する必要があるが実施は困難でもあり、そのため加速度検出部と温度センサの温度が一致するとは限らず正確な温度補正は困難であった。
そこで、我々の研究で、センサ出力における温度補償を行う回路構成等の工夫による課題解決を図ることとした。
In the latter case, there is a method of incorporating a temperature sensor separately and electrically correcting the detected acceleration data, but in this method, it is necessary to install the temperature sensor in an environment where the temperature of the detection element matches the temperature of the detection element. However, it is also difficult to implement, and therefore, the temperature of the acceleration detecting unit and the temperature of the temperature sensor do not always match, and it is difficult to perform accurate temperature correction.
Therefore, in our research, we decided to solve the problem by devising a circuit configuration that performs temperature compensation on the sensor output.
特許文献1によれば、圧電加速度センサにおいて、圧電素子に並列に接続されたチャージアンプの積分コンデンサに正の温度特性をもつコンデンサを使用することで、正の温度特性をもつ電荷感度の出力を電圧感度に変換する動作において補正しようとしている。
しかしながら、チャージアンプあるいは積分コンデンサは検出部である圧電素子と全く同じ場所には存在できないため、温度が安定しているときは温度補正が可能であるが、特に温度が変化している過度期には温度差が大きくなって正確な温度補正は困難であるという問題がある。
According to
However, since the charge amplifier or integrating capacitor cannot exist in the same place as the piezoelectric element as the detection unit, temperature correction can be performed when the temperature is stable, but especially in the transient period when the temperature is changing. However, there is a problem that it is difficult to perform accurate temperature correction due to a large temperature difference.
特許文献2によれば、圧電素子の静電容量とバッファーアンプの入力の負荷抵抗によって低域遮断周波数が決定される。圧電素子の静電容量は温度特性を持つため、この圧電素子の静電容量が温度によって変動すると低域遮断周波数も変動することになる。このため、負荷抵抗に並列にコンデンサを接続することで静電容量の温度特性を良好にしようとしている。
しかしながら、この特許の目的は温度変化による低域遮断周波数の変動を減ずることであり、温度による感度変動を補正することを目的としていない。
According to Patent Document 2, the low-frequency cutoff frequency is determined by the capacitance of the piezoelectric element and the load resistance of the input of the buffer amplifier. Since the capacitance of the piezoelectric element has a temperature characteristic, if the capacitance of the piezoelectric element changes with temperature, the low cutoff frequency also changes. Therefore, an attempt is made to improve the temperature characteristics of the capacitance by connecting a capacitor in parallel with the load resistor.
However, the purpose of this patent is to reduce the fluctuation of the low-frequency cutoff frequency due to the temperature change, and does not aim to correct the sensitivity fluctuation due to the temperature.
本発明の課題は、一般的な圧電型加速度センサの電荷感度の温度特性に起因した測定誤差の解消を図るにある。この解決にあたり、予め、圧電型加速度センサの電荷感度とその静電容量の温度特性の傾向分析を行い、その対策として、圧電型加速度センサの電荷感度における出力段階で所定の温度補正用コンデンサを信号出力に対して直列に接続することにより課題解決を図った。
より具体的には、加速度センサが出力する電荷が、追加する温度補正用コンデンサと加速度検出部の圧電素子の静電容量との直列合成静電容量と、加速度検出部の圧電素子が発生する電荷とその静電容量から求まる電圧値との積になることに着目し課題解決を図ったものである。
An object of the present invention is to eliminate a measurement error caused by a temperature characteristic of charge sensitivity of a general piezoelectric acceleration sensor. To solve this problem, a trend analysis of the temperature characteristics of the charge sensitivity of the piezoelectric acceleration sensor and its capacitance is performed in advance, and as a countermeasure, a predetermined temperature correction capacitor is signaled at the output stage of the charge sensitivity of the piezoelectric acceleration sensor. The problem was solved by connecting the output in series.
More specifically, the electric charge output from the acceleration sensor is composed of a series combined capacitance of the temperature correction capacitor to be added and the capacitance of the piezoelectric element of the acceleration detection unit, and the electric charge generated by the piezoelectric element of the acceleration detection unit. And a voltage value obtained from the capacitance thereof, to solve the problem.
本発明はかかる事情に鑑みなされたものであり、温度補正方法は、サーミスタ等の温度補正用の特別な部品を使用する必要がなく、容易に入手可能な温度による容量変化の少ないコンデンサが使用可能で、非常に安価に実現できる。 The present invention has been made in view of such circumstances, and the temperature correction method does not require the use of a special component for temperature correction such as a thermistor, and a readily available capacitor having a small capacitance change due to temperature can be used. It can be realized at very low cost.
また、この温度補正用コンデンサは原理的に加速度検出部の圧電素子の近傍に設置する必要もなく、圧電素子と温度補正用コンデンサの間に温度差があっても温度補正に影響しないため、センサの構造上の自由度が大きく、温度補正用コンデンサは中継基板あるいは内蔵チャージアンプ等の検出部から離れたプリント基板上に設置することもできる。また、急激な温度変化がある用途でも正確な温度補正が可能である。 In addition, this temperature correction capacitor does not need to be installed in principle near the piezoelectric element of the acceleration detector, and even if there is a temperature difference between the piezoelectric element and the temperature correction capacitor, it does not affect the temperature correction. The temperature correction capacitor can be installed on a printed circuit board separated from a detection unit such as a relay board or a built-in charge amplifier. In addition, accurate temperature correction is possible even in applications where there is a sudden temperature change.
本発明は、圧電型電荷出力加速度センサにおける検出部の温度による電荷感度の変化係数と、同検出部の静電容量の温度による変化係数を前記温度の複数箇所で測定し、前記電荷感度の変化係数Aと、前記静電容量の変化係数Bを算出し、これらの前記変化係数Aと、前記変化係数Bと基準とする温度における検出部の静電容量Dから式(1)により算出された静電容量Eを有する温度補正用コンデンサ9を、前記検出部8に直列に接続させ、温度補償を行い、その結果として、該温度補償前後を比較した20℃を基準とした平坦化させた変化係数率で、平坦化させた程度を0.9ないし1.05の範囲内とさせた圧電型電荷出力加速度センサにより提供される。
E=D(B−A)/(A−1) (1)
ここで、変化係数Aは検出部8の電荷感度の温度による変化係数、変化係数Bは検出部8の静電容量の温度による変化係数、Dは検出部8の温度補正範囲下限温度での静電容量である。前記それぞれの変化係数は温度補正範囲下限の値を基準とした温度補正範囲上限での値から算出された係数である。
The present invention measures the change coefficient of the charge sensitivity due to the temperature of the detection unit in the piezoelectric charge output acceleration sensor and the change coefficient of the capacitance of the detection unit due to the temperature at a plurality of locations of the temperature, and changes the charge sensitivity. A coefficient A and a change coefficient B of the capacitance were calculated, and the change coefficient A, the change coefficient B, and the capacitance D of the detection unit at a reference temperature were calculated by Expression (1). A
E = D (BA) / (A-1) (1)
Here, the change coefficient A is a change coefficient of the charge sensitivity of the
本発明は、また、前記温度補償を行う温度範囲での平坦化した程度を0.95ないし1.05の範囲内とさせた前記圧電型電荷出力加速度センサにより提供される。
さらに、前記電荷感度の補償前後を比較した20℃を基準とした変化係数が0.95から1.05の範囲で、−40℃から+120℃で使用可能な請求項1又は2記載の圧電型電荷出力加速度センサにより効果的に提供される。
The present invention is also provided by the piezoelectric charge output acceleration sensor, wherein the degree of flattening in the temperature range in which the temperature compensation is performed is in the range of 0.95 to 1.05.
The piezoelectric type according to
本発明によれば、圧電型電荷出力加速度センサとして、前記温度補正用コンデンサを検出部8に直列に接続したことで、圧電型電荷出力加速度センサの電荷感度の温度による変化係数を低減させた。さらに、前記温度補正用コンデンサの容量を選択することで広範囲な温度範囲で使用可能な圧電型電荷出力加速度センサとする効果が得られる。
より望ましくは、前記電荷感度の補償前後を比較した20℃を基準とした変化係数が0.95から1.05の範囲で、−40℃から+120℃で使用可能な前記記載の圧電型電荷出力加速度センサにより提供される効果が得られる。
この結果、前記した本発明のより簡単な回路構成を選択することで極めて効果的な圧電型電荷出力加速度センサとしての効果が得られる。
前記温度補正用コンデンサは容易に入手可能な温度係数の極めて小さい(例えば±60ppm以内)のセラミックコンデンサが使用可能であり、温度補正用コンデンサの設置場所が限定されないため、温度補正用コンデンサが温度検出のために検出部に接触している必要もなく、さらには近傍である必要さえもなく極めて自由度が高い。
According to the present invention, as the piezoelectric charge output acceleration sensor, the temperature correction capacitor is connected in series to the
More preferably, the piezoelectric charge output as described above, which can be used at -40 ° C to + 120 ° C, with a coefficient of change of 0.95 to 1.05 based on 20 ° C comparing before and after compensation of the charge sensitivity. The effect provided by the acceleration sensor is obtained.
As a result, an effect as a very effective piezoelectric charge output acceleration sensor can be obtained by selecting the simpler circuit configuration of the present invention.
As the temperature compensating capacitor, a ceramic capacitor having a very small temperature coefficient (for example, within ± 60 ppm) which can be easily obtained can be used, and the installation location of the temperature compensating capacitor is not limited. Therefore, there is no need to be in contact with the detection unit, and there is no need to be near the detection unit, and the degree of freedom is extremely high.
圧電型加速度センサの構造は図1が一般的だが、これに限定されない、本発明の原理に沿った他の構造、例えば、チャージアンプへの接続ケーブルを他の方法によっても適用可能である。 Although the structure of the piezoelectric acceleration sensor is generally shown in FIG. 1, the present invention is not limited to this, and other structures in accordance with the principle of the present invention, for example, a connection cable to a charge amplifier can be applied by other methods.
以下、本発明を実施するための形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される構成、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施をするための形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。 Hereinafter, an embodiment for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. The same reference numerals are given to the configurations, members, and processes shown in each drawing, and the repeated description will be omitted as appropriate. The modes for carrying out the invention are not intended to limit the invention, but are exemplifications, and all features and combinations described in the embodiments are not necessarily essential to the invention. .
以下、本発明の実施例を図1ないし図6を用いて具体的に説明する。
図2は本発明の圧電型電荷出力加速度センサ(以下、「加速度センサ」と略記することがある。)を検出部8と温度補正用コンデンサ9で表した等価回路である。さらに、図3は検出部8を、電圧源11と検出部静電容量10(静電容量D)として示し、これに本発明による付加する温度補正用コンデンサ9からなる等価回路図である。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be specifically described with reference to FIGS.
FIG. 2 is an equivalent circuit in which a piezoelectric charge output acceleration sensor (hereinafter may be abbreviated as “acceleration sensor”) of the present invention is represented by a
ところで、一般に圧電型電荷出力加速度センサの使用温度環境としては少なくとも低温域(−40℃)から高温域(120℃、通常は80℃程度)での安定した温度特性が求められている。
ここで温度特性を図4に、横軸は温度、その範囲は−20℃から120℃として示した。縦軸の左は加速度センサの検出部8の内部静電容量(単位pF)を表し、縦軸の右は加速度センサの検出部8の電荷感度(単位pC/m/s2)を表している。
By the way, in general, a stable temperature characteristic at least in a low temperature range (−40 ° C.) to a high temperature range (120 ° C., usually about 80 ° C.) is required as a working temperature environment of the piezoelectric charge output acceleration sensor.
Here, the temperature characteristics are shown in FIG. 4, where the horizontal axis represents temperature, and the range is from −20 ° C. to 120 ° C. The left side of the vertical axis represents the internal capacitance (unit pF) of the
しかしながら、図4ないし図5に示すように、同じ加速度が加わっても、加速度センサの検出部8の電荷出力の電荷感度は温度により変化する。図5は検出部8の温度による電荷感度の変化係数Aと、同検出部8の静電容量の温度による変化係数Bを表している。温度20℃を基準(図4の20℃における値を1とした。)として、検出部の温度120℃における電荷感度の変化係数A、同検出部8の静電容量の温度による変化係数Bを示した。
各変化係数は、温度20℃に対比した変化を見ると、−20℃付近よりも120℃付近の方が変化係数の傾斜が高まる傾向が認められ、直線とはなっておらず、本発明による温度補正を実施しても完全に温度係数を1とすることはできず、ある幅を持つことが分かる。
However, as shown in FIGS. 4 and 5, even if the same acceleration is applied, the charge sensitivity of the charge output of the
When the change coefficient is compared with the temperature of 20 ° C., the slope of the change coefficient tends to be higher at around 120 ° C. than at around −20 ° C., which is not a straight line. Even if the temperature correction is performed, the temperature coefficient cannot be completely set to 1, indicating that the temperature coefficient has a certain width.
また、電荷感度の変化係数Aに着目してみよう。図5からも見られるが温度20℃に対し、−20℃付近で約0.9、120℃付近で約1.3と変化係数が認められる。これらの測定から見られるようにこれらは常温に比べ、加速度の測定には温度依存のエラーが無視できない相当程度の大きさであることが認められる。
このように、圧電型電荷出力加速度センサの電荷感度は温度によって変化し、具体的には、温度上昇に対し約0.3%/℃ほどの傾きで大となることが確認できた。
Also, let us focus on the change coefficient A of the charge sensitivity. As can be seen from FIG. 5, a change coefficient of about 0.9 near -20 ° C. and about 1.3 near 120 ° C. is observed at a temperature of 20 ° C. As can be seen from these measurements, it can be seen that they are of considerable magnitude in temperature measurement of acceleration, which cannot be ignored, compared to room temperature.
As described above, it was confirmed that the charge sensitivity of the piezoelectric charge output acceleration sensor changes depending on the temperature, and specifically, the charge sensitivity increases with a slope of about 0.3% / ° C. with respect to the temperature rise.
この測定は、検出部8を持つ加速度センサを恒温槽内に載置して振動を加えて測定を行った。各温度下でそれぞれ検出部静電容量、電荷感度を求め図示したものである。
また、加速度センサは使用する圧電材料等の製造ばらつきにより図4のカーブに変動があり、実験的には±5%程度であった。さらに、異なる圧電材料間ではより異なる差異が生じる結果が確認されている。
In this measurement, the acceleration sensor having the
In addition, the acceleration sensor has a variation in the curve of FIG. 4 due to manufacturing variations of the piezoelectric material or the like to be used, and it is about ± 5% experimentally. Further, it has been confirmed that different piezoelectric materials produce different differences.
このため本発明にあっては、予め、図4についてのデータを取ることが必要である。同一圧電材料間では、いくつかのサンプルデータを取り平均値としての図4のカーブを得ることが必要である。 For this reason, in the present invention, it is necessary to obtain data for FIG. 4 in advance. For the same piezoelectric material, it is necessary to take some sample data and obtain the curve of FIG. 4 as an average value.
つぎに、本発明では、加速度センサの検出部8の電荷感度が電圧感度と検出部静電容量との積であることを利用し、検出部8の静電容量の温度係数Bを、電圧感度温度係数との積が1となる係数に補正できれば電荷感度の温度係数は1、つまり温度に対する変化が最小の値とすることができる。具体的な方法は、加速度センサの検出部8に対して、温度補正用コンデンサを直列に接続することで、疑似的に検出部静電容量の温度係数を調整する。
具体的には、温度補正用コンデンサ9(静電容量E)を用いて、これを、前記温度補正用コンデンサ9と検出部8を直列に接続させることで、図6に示す結果が得られた。
それによると、温度補正前の圧電型電荷出力の電荷感度特性は20℃基準として120℃で1.12に対し、温度補償後(温度補正用コンデンサ9の追加)では、20℃を基準として0.98(120℃)への大幅な改善が認められた。
Next, the present invention utilizes the fact that the charge sensitivity of the
Specifically, by using a temperature correcting capacitor 9 (capacitance E) and connecting the
According to this, the charge sensitivity characteristic of the piezoelectric charge output before temperature correction is 1.12 at 120 ° C. on the basis of 20 ° C., but after temperature compensation (addition of the temperature correction capacitor 9), the charge sensitivity characteristic is 0 ° on the basis of 20 ° C. A significant improvement to 0.98 (120 ° C.) was observed.
以下、温度補正用コンデンサ9(静電容量E)を求める計算式の理論的な説明を行う。
一般に、電荷は電荷源の静電容量と電圧の積として表される。
検出部8の温度補正範囲下限温度での静電容量をD、上限温度での静電容量をC0H、温度補正範囲下限温度での電荷感度SQL、上限温度での電荷感度SQH、直列に接続する温度補正用コンデンサの静電容量をEとする。下限温度と上限温度での検出部8の静電容量と温度補正用コンデンサ9との合成静電容量をそれぞれCL、CHとすると式(2)、(3)となる。
Hereinafter, a theoretical description of a calculation formula for calculating the temperature correction capacitor 9 (capacitance E) will be given.
Generally, charge is expressed as the product of the capacitance of a charge source and a voltage.
The capacitance at the lower limit temperature of the temperature correction range of the
CL=D・E/(D+E)・・・・(2)
CH=C0H・E/(C0H+E)・・・・(3)
検出部8の電荷感度SQL、SQHと静電容量D、C0Hから求まる下限温度での電圧感度をSVL、上限温度での電圧感度をSVHとすると
CL = DE / (D + E) (2)
CH = C0H.E / (C0H + E) (3)
Assuming that the voltage sensitivity at the lower limit temperature obtained from the charge sensitivity SQL, SQH and the capacitance D, C0H of the
SVL=SQL/D・・・・(4)
SVH=SQH/C0H・・・・(5)
これに直列接続する温度補正用コンデンサ9の静電容量Eを接続したときの下限温度での電荷感度をSQLL、上限温度での電荷感度をSQHHとすると、電荷感度は電圧感度と静電容量の積であり、及び式(4)、(5)から式(6)、(7)が得られる。
SVL = SQL / D (4)
SVH = SQH / C0H (5)
Assuming that the charge sensitivity at the lower limit temperature when the capacitance E of the
SQLL=CL・SVL=CL・SQL/D・・・(6)
SQHH=CH・SVH=CH・SQH/C0H・・・(7)
電荷感度の温度特性の変化がないように補正するということは、SQLLとSQHHの両者を等しくすることであるから式(8)となる。
SQLL=SQHH・・・(8)
SQLL = CL · SVL = CL · SQL / D (6)
SQHH = CH.SVH = CH.SQH / C0H (7)
Correcting the charge sensitivity so that there is no change in the temperature characteristic means that both SQLL and SQHH are equalized, and therefore, Equation (8) is obtained.
SQLL = SQHH (8)
式(8)は、式(2)、(3)及び式(6)、(7)より式(9)が得られる。
CL・(SQL/D)=CH・(SQH/C0H)
(D・E/(D+E))・(SQL/D)=(C0H・E/C0H+E))・(SQH/C0H)
(E/(D+E))・SQL=(E/(C0H+E))・SQH
SQL/(D+E)=SQH/(C0H+E)・・・(9)
In Expression (8), Expression (9) is obtained from Expressions (2) and (3) and Expressions (6) and (7).
CL · (SQL / D) = CH · (SQH / C0H)
(D · E / (D + E)) · (SQL / D) = (C0H · E / C0H + E)) · (SQH / C0H)
(E / (D + E)) · SQL = (E / (C0H + E)) · SQH
SQL / (D + E) = SQH / (C0H + E) (9)
ここで検出部8の電荷感度の温度係数A,静電容量の温度係数Bであるから
SQH=A・SQL・・・(10)
C0H=B・D・・・(11)
Here, the temperature coefficient A of the charge sensitivity of the
SQH = A · SQL (10)
C0H = BD (11)
式(9)に式(10)、(11)を代入して
SQL/(D+E)=A・SQL/(B・D+E)
1/(D+E)=A/(B・D+E)
B・D+E=A・(D+E)
B・D+E=A・D+A・E
E−A・E=A・D−B・D=D・(A−B)
(1−A)・E=D・(A−B)
E=D・(A−B)/(1−A)・・・(1)
となって式(1)が得られる。
なお、E>0である必要があるため、A>1でかつB>Aの条件を満たす必要がある。
Substituting equations (10) and (11) into equation (9)
SQL / (D + E) = A · SQL / (B · D + E)
1 / (D + E) = A / (B · D + E)
B · D + E = A · (D + E)
B • D + E = A • D + A • E
E−A · E = A · D−B · D = D · (A−B)
(1-A) · E = D · (AB)
E = D · (AB) / (1-A) (1)
Equation (1) is obtained.
Since E> 0, it is necessary that A> 1 and B> A are satisfied.
1 圧電素子
2 負荷質量
3 電極板
4 締め付けネジ
5 コネクタ
6 ケース
7 導線
8 検出部
9 温度補正用コンデンサ
10 検出部静電容量
11 電圧源
A 検出部8の電荷感度の温度による変化係数
B 検出部8の静電容量Dの温度による変化係数
C 検出部8の電圧感度の変化係数
D 検出部8の静電容量(温度補正範囲下限温度)
E 温度補正用コンデンサ9の静電容量
DESCRIPTION OF
A A coefficient of change of the charge sensitivity of the
E Capacitance of
Claims (3)
E=D(B−A)/(A−1) (1)
ここで、変化係数Aは検出部8の電荷感度の温度による変化係数、変化係数Bは検出部8の静電容量の温度による変化係数、Dは検出部8の温度補正範囲下限温度での静電容量である。前記それぞれの変化係数は温度補正範囲下限の値を基準とした温度補正範囲上限での値から算出された係数である。 A change coefficient A of the charge sensitivity of the detection unit in the piezoelectric charge output acceleration sensor 8 due to the temperature and a change coefficient B of the capacitance D of the detection unit due to the temperature are measured at a plurality of points of the temperature. The change coefficient B is calculated, and the change coefficient A and the temperature correction capacitor 9 having the capacitance E calculated by the equation (1) from the change coefficient B are serially connected to the detection unit 8. Connected, and the temperature compensation of the charge sensitivity is performed by the capacitance E calculated from the change coefficient A and the change coefficient B of the charge sensitivity. As a result, a comparison is made between 20 ° C. before and after the temperature compensation. A piezoelectric charge output acceleration sensor wherein a flattened degree is in a range of 0.9 to 1.05 at a flattened change coefficient rate.
E = D (BA) / (A-1) (1)
Here, the change coefficient A is a change coefficient of the charge sensitivity of the detection unit 8 due to the temperature, the change coefficient B is a change coefficient of the capacitance of the detection unit 8 due to the temperature, and D is a static coefficient of the detection unit 8 at the lower limit temperature of the temperature correction range. It is capacitance. Each of the change coefficients is a coefficient calculated from a value at the upper limit of the temperature correction range based on the lower limit of the temperature correction range.
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Citations (5)
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-
2018
- 2018-08-21 JP JP2018155054A patent/JP6931637B2/en active Active
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