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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023098782
(43)【公開日】2023-07-11
(54)【発明の名称】圧電型電圧出力加速度センサ
(51)【国際特許分類】
G01P 15/09 20060101AFI20230704BHJP
【ＦＩ】
G01P15/09 V
【審査請求】有
【請求項の数】3
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021215452
(22)【出願日】2021-12-29
(11)【特許番号】
(45)【特許公報発行日】2023-05-09
(71)【出願人】
【識別番号】000154196
【氏名又は名称】株式会社富士セラミックス
(74)【代理人】
【識別番号】100079979
【弁理士】
【氏名又は名称】志水 浩
(72)【発明者】
【氏名】山本 伊織
(72)【発明者】
【氏名】深澤 龍助
(57)【要約】
【課題】本発明は、圧電型電圧出力加速度センサ、特に圧電素子の測定誤差ともなる温度特性を補償する圧電型電圧出力加速度センサに関する。
【解決手段】
本発明は、圧電型電圧出力加速度センサの検出部６の温度特性を補償する温度補正用コンデンサ７を並列に接続し、該コンデンサ７の静電容量を、圧電型電圧出力加速度センサの温度補償範囲下限温度での静電容量、電荷感度の温度による変化係数、静電容量に応じ算出される静電容量の温度による変化係数によって決定させる前記静電容量を決定する式（１）ないし（９）を用いて求められた温度特性を平坦化させる温度補正用コンデンサ７を利用した、電圧感度の温度変化係数の値が０．９から１．１の範囲内として、さらに、より効果的な０．９５から１．０５の範囲内が可能な圧電型電圧出力加速度センサを提供できる。
【選択図】図６
【解決手段】
本発明は、圧電型電圧出力加速度センサの検出部６の温度特性を補償する温度補正用コンデンサ７を並列に接続し、該コンデンサ７の静電容量を、圧電型電圧出力加速度センサの温度補償範囲下限温度での静電容量、電荷感度の温度による変化係数、静電容量に応じ算出される静電容量の温度による変化係数によって決定させる前記静電容量を決定する式（１）ないし（９）を用いて求められた温度特性を平坦化させる温度補正用コンデンサ７を利用した、電圧感度の温度変化係数の値が０．９から１．１の範囲内として、さらに、より効果的な０．９５から１．０５の範囲内が可能な圧電型電圧出力加速度センサを提供できる。
【選択図】図６
【特許請求の範囲】
【請求項1】
圧電型電圧出力加速度センサに静電容量Ｅを有する温度補正用コンデンサを並列に接続してなる電圧感度を平坦化させた程度が０．９ないし１．１の範囲内とさせた前記センサにおいて、
前記静電容量Ｅが、それぞれ測定して得られた前記センサの温度補正範囲下限温度－６０℃での静電容量をＤ、上限温度＋１２０℃での静電容量をＣ０Ｈ、前記下限温度での電荷感度ＳＱＬ、前記上限温度での電荷感度ＳＱＨから式（８）、式（９）により算出された前記センサの電荷感度の温度係数Ａ、静電容量の温度係数Ｂと、式（２）～式（７）より得られた値から、式（１）から算出された静電容量Ｅである圧電型電圧出力加速度センサ。
Ｅ＝Ｄ・（Ａ－Ｂ）／（１－Ａ）・・・・・・・・・・・・ （１）
ＣＬ＝Ｄ＋Ｅ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ （２）
ＣＨ＝Ｃ０Ｈ＋Ｅ・・・・・・・・・・・・・・・・・・ （３）
ＳＶＬ＝ＳＱＬ／ＣＬ・・・・・・・・・・・・・・・・ （４）
ＳＶＨ＝ＳＱＨ／ＣＨ・・・・・・・・・・・・・・・・ （５）
ＳＶＬ＝ＳＶＨ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ （６）
ＳＱＬ／（Ｄ＋Ｅ）＝ＳＱＨ／（Ｃ０Ｈ＋Ｅ）・・・・・・ （７）
ＳＱＨ＝Ａ・ＳＱＬ・・・・・・・・・・・・・・・・・ （８）
Ｃ０Ｈ＝Ｂ・Ｄ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ （９）
ここで、下限温度での電圧感度はＳＶＬ、上限温度での電圧感度はＳＶＨである。
前記静電容量Ｅが、それぞれ測定して得られた前記センサの温度補正範囲下限温度－６０℃での静電容量をＤ、上限温度＋１２０℃での静電容量をＣ０Ｈ、前記下限温度での電荷感度ＳＱＬ、前記上限温度での電荷感度ＳＱＨから式（８）、式（９）により算出された前記センサの電荷感度の温度係数Ａ、静電容量の温度係数Ｂと、式（２）～式（７）より得られた値から、式（１）から算出された静電容量Ｅである圧電型電圧出力加速度センサ。
Ｅ＝Ｄ・（Ａ－Ｂ）／（１－Ａ）・・・・・・・・・・・・ （１）
ＣＬ＝Ｄ＋Ｅ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ （２）
ＣＨ＝Ｃ０Ｈ＋Ｅ・・・・・・・・・・・・・・・・・・ （３）
ＳＶＬ＝ＳＱＬ／ＣＬ・・・・・・・・・・・・・・・・ （４）
ＳＶＨ＝ＳＱＨ／ＣＨ・・・・・・・・・・・・・・・・ （５）
ＳＶＬ＝ＳＶＨ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ （６）
ＳＱＬ／（Ｄ＋Ｅ）＝ＳＱＨ／（Ｃ０Ｈ＋Ｅ）・・・・・・ （７）
ＳＱＨ＝Ａ・ＳＱＬ・・・・・・・・・・・・・・・・・ （８）
Ｃ０Ｈ＝Ｂ・Ｄ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ （９）
ここで、下限温度での電圧感度はＳＶＬ、上限温度での電圧感度はＳＶＨである。
【請求項2】
前記平坦化させた程度を０．９５ないし１．０５の範囲内とさせた請求項１記載の圧電型電圧出力加速度センサ。
【請求項3】
前記電圧感度の補償前後を比較した２０℃を基準とした変化係数が０．９から１.１の範囲で、－６０℃から＋１２０℃で使用可能な請求項１又は請求項２記載の圧電型電圧出力加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、圧電型電圧出力加速度センサ、特に圧電体に並列に接続したコンデンサを用いて圧電体の温度特性を補償する圧電型電圧出力加速度センサに関する。
【背景技術】
【0002】
圧電型電圧出力加速度センサは、圧電体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、圧電体は力が加えられるとその力に比例した電荷が発生する特性を持つことから、圧電型電圧出力加速度センサとして広く利用されている。
一般的な圧電型電圧出力加速度センサは、具体的には図１に示すような加速度センサを縦に割った様子を示す断面構造からなる。圧電体の内面は電極板３を挟んで２層の圧電体１、１と負荷質量２を締め付けるネジ４等でケース１１内に挿入されている。発生した電荷はこの電極板３からケーブル１０、コネクタ５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。
一般的な圧電型電圧出力加速度センサは、具体的には図１に示すような加速度センサを縦に割った様子を示す断面構造からなる。圧電体の内面は電極板３を挟んで２層の圧電体１、１と負荷質量２を締め付けるネジ４等でケース１１内に挿入されている。発生した電荷はこの電極板３からケーブル１０、コネクタ５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。
【0003】
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。
【0004】
このような、圧電型電圧出力加速度センサは、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、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、圧電型電圧出力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、圧電型電圧出力加速度センサは、検出素子である圧電体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かった。
したがって、圧電型電圧出力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。
しかしながら、圧電型電圧出力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、圧電型電圧出力加速度センサは、検出素子である圧電体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かった。
したがって、圧電型電圧出力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。
【0005】
この対策として、圧電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、圧電体の材料特性を改良することが必要とされ、特殊な圧電体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体は、検出感度が非常に低くなることが認められている。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。
【0006】
このようなことから、別途温度センサを圧電体近傍に内蔵し、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等実施は困難でもあり、また、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償は困難であった。
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。
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。
【0007】
特許文献１によれば、圧電加速度センサにおいて、圧電体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体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償が可能であるが、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償は困難であるという問題があった。
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体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償が可能であるが、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償は困難であるという問題があった。
【0008】
特許文献２によれば、圧電体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、この圧電体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、温度による電圧感度変動を補正することを目的としていなかった。
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、温度による電圧感度変動を補正することを目的としていなかった。
【0009】
特許文献３によれば、加速度センサや角速度センサ等、差動増幅回路を振動センサの出力に接続し、温度特性の異なる拡散抵抗と外部抵抗とを検出回路に組み込むことで、検出系の回路ゲインに振動子の感度温度特性を相殺する温度特性を持たせ、検出感度の温度特性を補正している。
しかしながら、温度補正用抵抗を用いると、拡散抵抗により安定した温度特性を得ることが難しく、さらに、差動回路も温度特性を有することから、圧電型電圧出力加速度センサにおける電圧感度の温度特性を補償することは困難である。
しかしながら、温度補正用抵抗を用いると、拡散抵抗により安定した温度特性を得ることが難しく、さらに、差動回路も温度特性を有することから、圧電型電圧出力加速度センサにおける電圧感度の温度特性を補償することは困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0010】
【特許文献1】実開平２－１５０５６７号公報
【特許文献2】特開平８－１４６０３２号公報
【特許文献3】特開平１１－１４８８２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
圧電型電圧出力加速度センサは、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いる。
本発明の課題は、一般的な圧電型電圧出力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、圧電型電圧出力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、圧電型電圧出力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並列に接続することにより課題解決を図った。
本発明の課題は、一般的な圧電型電圧出力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、圧電型電圧出力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、圧電型電圧出力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並列に接続することにより課題解決を図った。
【0012】
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体の静電容量との並列合成静電容量と、加速度検出部の圧電体が発生する電荷とその静電容量から求まる電圧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。
【0013】
本発明はかかる事情に鑑みなされたものであり、温度補償方法は、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。
【0014】
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体の近傍に設置する必要もなく、圧電体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償に影響しないため、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償が可能である。
【課題を解決するための手段】
【0015】
本発明は、圧電型電圧出力加速度センサに静電容量Ｅを有する温度補正用コンデンサを並列に接続してなる電圧感度を平坦化させた程度が０．９ないし１．１の範囲内とさせた前記センサにおいて、
前記静電容量Ｅが、それぞれ測定して得られた前記センサの温度補正範囲下限温度－６０℃での静電容量をＤ、上限温度＋１２０℃での静電容量をＣ０Ｈ、前記下限温度での電荷感度ＳＱＬ、前記上限温度での電荷感度ＳＱＨから式（８）、式（９）により算出された前記センサの電荷感度の温度係数Ａ、静電容量の温度係数Ｂと、式（２）～式（７）より得られた値から、式（１）から算出された静電容量Ｅである圧電型電圧出力加速度センサにより提供される。
Ｅ＝Ｄ・（Ａ－Ｂ）／（１－Ａ）・・・・・・・・・・・・ （１）
ＣＬ＝Ｄ＋Ｅ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ （２）
ＣＨ＝Ｃ０Ｈ＋Ｅ・・・・・・・・・・・・・・・・・・ （３）
ＳＶＬ＝ＳＱＬ／ＣＬ・・・・・・・・・・・・・・・・ （４）
ＳＶＨ＝ＳＱＨ／ＣＨ・・・・・・・・・・・・・・・・ （５）
ＳＶＬ＝ＳＶＨ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ （６）
ＳＱＬ／（Ｄ＋Ｅ）＝ＳＱＨ／（Ｃ０Ｈ＋Ｅ）・・・・・・ （７）
ＳＱＨ＝Ａ・ＳＱＬ・・・・・・・・・・・・・・・・・ （８）
Ｃ０Ｈ＝Ｂ・Ｄ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ （９）
ここで、下限温度での電圧感度はＳＶＬ、上限温度での電圧感度はＳＶＨとする。
前記静電容量Ｅが、それぞれ測定して得られた前記センサの温度補正範囲下限温度－６０℃での静電容量をＤ、上限温度＋１２０℃での静電容量をＣ０Ｈ、前記下限温度での電荷感度ＳＱＬ、前記上限温度での電荷感度ＳＱＨから式（８）、式（９）により算出された前記センサの電荷感度の温度係数Ａ、静電容量の温度係数Ｂと、式（２）～式（７）より得られた値から、式（１）から算出された静電容量Ｅである圧電型電圧出力加速度センサにより提供される。
Ｅ＝Ｄ・（Ａ－Ｂ）／（１－Ａ）・・・・・・・・・・・・ （１）
ＣＬ＝Ｄ＋Ｅ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ （２）
ＣＨ＝Ｃ０Ｈ＋Ｅ・・・・・・・・・・・・・・・・・・ （３）
ＳＶＬ＝ＳＱＬ／ＣＬ・・・・・・・・・・・・・・・・ （４）
ＳＶＨ＝ＳＱＨ／ＣＨ・・・・・・・・・・・・・・・・ （５）
ＳＶＬ＝ＳＶＨ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ （６）
ＳＱＬ／（Ｄ＋Ｅ）＝ＳＱＨ／（Ｃ０Ｈ＋Ｅ）・・・・・・ （７）
ＳＱＨ＝Ａ・ＳＱＬ・・・・・・・・・・・・・・・・・ （８）
Ｃ０Ｈ＝Ｂ・Ｄ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ （９）
ここで、下限温度での電圧感度はＳＶＬ、上限温度での電圧感度はＳＶＨとする。
【0016】
また、本発明は、前記平坦化させた程度を０．９５ないし１．０５の範囲内とさせた前記記載の圧電型電圧出力加速度センサにより提供される。
さらに、本発明は、前記電圧感度の補償前後を比較した２０℃を基準とした変化係数が０．９から１.１の範囲で、－６０℃から＋１２０℃で使用可能な請求項１又は請求項２記載の圧電型電圧出力加速度センサにより提供される。
さらに、本発明は、前記電圧感度の補償前後を比較した２０℃を基準とした変化係数が０．９から１.１の範囲で、－６０℃から＋１２０℃で使用可能な請求項１又は請求項２記載の圧電型電圧出力加速度センサにより提供される。
【発明の効果】
【0017】
本発明によれば、圧電型電圧出力加速度センサとして、前記温度補正用コンデンサ７を検出部６に並列に接続したことで、圧電型電圧出力加速度センサの電圧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７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圧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、前記電圧感度の補償前後を比較した２０℃を基準とした変化係数が０．９から１．１の範囲で、－６０℃から＋１２０℃で使用可能な前記の圧電型電圧出力加速度センサにより効果的に提供される。
より望ましくは、前記電圧感度の補償前後を比較した２０℃を基準とした変化係数が０．９から１．１の範囲で、－６０℃から＋１２０℃で使用可能な前記の圧電型電圧出力加速度センサにより効果的に提供される。
【0018】
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圧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変化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。
前記温度補正用コンデンサは容易に入手可能な変化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。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図5】図５は図４の圧電型電圧出力加速度センサの検出部に温度補正用コンデンサを並列接続させてなる電荷感度及び静電容量について、検出部のそれぞれの温度による電荷感度の変化係数Ａ、静電容量Ｄの変化係数Ｂ、電圧感度の変化係数Ｃを示した温度特性図である。２０℃に対する電荷感度の変化係数Ａは１．１、静電容量の変化係数Ｂは１．２９となっている。
【図6】図６は本発明の実施例で、圧電型電圧出力加速度センサの電圧感度特性の温度特性を温度補償前（算出値）０．８５の変化係数と温度補償後０．９７の変化係数を比較した温度特性図である。ここで算出値とは温度補正用コンデンサを接続しない状態で、電荷感度と静電容量の商より算出した電圧感度である。
【発明を実施するための形態】
【0020】
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。
【実施例0021】
以下、本発明の実施例を図１ないし図８を用いて具体的に説明する。
本発明は、図２に示すように、圧電型電圧出力加速度センサを検出部６と温度補正用コンデンサ７で構成した。図３は図２の構成について、本発明の圧電型電圧出力加速度センサ（以下、「加速度センサ」と略記することがある。）を検出部６に並列に接続した温度補正用コンデンサ７とを組み合わせた等価回路である。検出部６は、電圧源１１と検出部静電容量８（静電容量Ｄ）として示した。
本発明は、図２に示すように、圧電型電圧出力加速度センサを検出部６と温度補正用コンデンサ７で構成した。図３は図２の構成について、本発明の圧電型電圧出力加速度センサ（以下、「加速度センサ」と略記することがある。）を検出部６に並列に接続した温度補正用コンデンサ７とを組み合わせた等価回路である。検出部６は、電圧源１１と検出部静電容量８（静電容量Ｄ）として示した。
【0022】
一般的に圧電型電圧出力加速度センサの使用環境としては、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る。
ここで加速度センサ７の温度特性を図４に示す。横軸は温度、その範囲は－６０℃から１２０℃として示した。縦軸の左は、検出部６の内部静電容量（単位ｐＦ）８を表し、縦軸の右は検出部６の電荷感度（単位ｐＣ／ｍ／ｓ２）を表している。
ここで加速度センサ７の温度特性を図４に示す。横軸は温度、その範囲は－６０℃から１２０℃として示した。縦軸の左は、検出部６の内部静電容量（単位ｐＦ）８を表し、縦軸の右は検出部６の電荷感度（単位ｐＣ／ｍ／ｓ２）を表している。
【0023】
また、図５は図４から導かれる検出部６の電荷感度、静電容量について、検出部６のそれぞれの温度による電荷感度の変化係数Ａ、静電容量の変化係数Ｂ、これらから求められた電圧感度の変化係数Ｃを示した温度特性図である。２０℃を基準とし、図４を基礎としてそれぞれの変化傾向が認められる。
【0024】
この図４、図５に示す特性から認められるように、同じ加速度が加わっても、加速度センサの検出部６の電荷出力の電荷感度は温度により変化することがわかる。検出部６の電荷感度の変化係数Ａと、静電容量の変化係数Ｂから、電圧感度の変化係数は電荷感度／静電容量から算出された変化係数Ｃとして求められる。温度２０℃を基準（図４の２０℃における値を１とした。）として、この図５に示すように、低温域（－４０℃）から高温域（１２０℃）の範囲内で、２０℃に対する電荷感度の変化係数Ａは１．１、静電容量の変化係数Ｂは１．２９となっている。
【0025】
さらに、詳細に分析すると、図５の電圧感度の変化係数Ｃは、温度２０℃に対し、－６０℃付近で約１．１、１２０℃付近で約０．８と変化係数に差異が認められる。これらの測定から見られるように、これらは常温（２０℃）に比べ、加速度測定には温度依存によるエラーが無視できない程度の大きさであることが認められる。
このように、圧電型電圧出力加速度センサの電圧感度は、具体的には、温度上昇に対し約０．２％／℃ほどの傾きで小となることが確認できた。
この測定は、検出部６を持つ圧電型電圧出力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、電荷感度を図示したものである。
このように、圧電型電圧出力加速度センサの電圧感度は、具体的には、温度上昇に対し約０．２％／℃ほどの傾きで小となることが確認できた。
この測定は、検出部６を持つ圧電型電圧出力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、電荷感度を図示したものである。
【0026】
また、圧電型電圧出力加速度センサは使用する圧電体等の製造ばらつきに対しても、図４には図示しないが、これらカーブに変動があり、実験的には±５％程度であった。さらに、異なる圧電体間ではより大きな差異が生じる結果が確認されている。
このため本発明にあっては、予め、後述する温度補正用コンデンサの選定に当たっては、図４についてのデータを取ることが必要である。同一圧電体間では、いくつかのサンプルデータを取り平均値として図４のカーブを得ることが必要である。
このため本発明にあっては、予め、後述する温度補正用コンデンサの選定に当たっては、図４についてのデータを取ることが必要である。同一圧電体間では、いくつかのサンプルデータを取り平均値として図４のカーブを得ることが必要である。
【0027】
つぎに、本発明では、加速度センサの検出部６の電荷感度と静電容量との商が電圧感度となることを利用し、静電容量の変化係数Ｂを、電荷感度の変化係数Ａとの商に着目し、その値が１となる係数に補正できれば電圧感度の変化係数Ｃ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６に対して、温度補正用コンデンサ７を並列に接続することで、擬似的に検出部の変化係数を調整できる。
【0028】
具体的には、図６に示すように、温度補正用コンデンサ７を用いて、これを、前記温度補正用コンデンサ７と検出部６とを並列に接続させることで達成させた。
それによると、電圧感度の変化係数について、温度補償前の電圧感度特性は２０℃基準として１２０℃で０．８５に対し、温度補償後（温度補正用コンデンサ７の追加）では、２０℃を基準として０．９７（１２０℃）への大幅な改善が認められた。
また、図６で用いた圧電体と異なる圧電体にて同様の温度特性試験を行った結果を図８に、また、表１示す。異なる圧電体での温度補償前の電圧感度特性は２０℃基準として１２０℃で０．７９に対し、温度補償後（温度補正用コンデンサ７の追加）では、２０℃を基準として０．９６（１２０℃）と大幅な改善が認められた。材質別での温度特性結果を図８に示し、表１に補償前後の変化係数の最大、最小を記した。これらから、図８、表１を参照することができ、より異なる圧電体でも変化係数０．９から１．１以内の温度特性に補償することが可能であることが認められた。
それによると、電圧感度の変化係数について、温度補償前の電圧感度特性は２０℃基準として１２０℃で０．８５に対し、温度補償後（温度補正用コンデンサ７の追加）では、２０℃を基準として０．９７（１２０℃）への大幅な改善が認められた。
また、図６で用いた圧電体と異なる圧電体にて同様の温度特性試験を行った結果を図８に、また、表１示す。異なる圧電体での温度補償前の電圧感度特性は２０℃基準として１２０℃で０．７９に対し、温度補償後（温度補正用コンデンサ７の追加）では、２０℃を基準として０．９６（１２０℃）と大幅な改善が認められた。材質別での温度特性結果を図８に示し、表１に補償前後の変化係数の最大、最小を記した。これらから、図８、表１を参照することができ、より異なる圧電体でも変化係数０．９から１．１以内の温度特性に補償することが可能であることが認められた。
【0029】
【表1】
【0030】
以下、温度補正用コンデンサ７の静電容量Ｅを求める計算式につき計算式の理論的な説明を行う。
図４に示した検出部６の圧電体１は温度に依存した静電容量、電荷感度ともやや右上がりで増加する。詳細は実施例によるが、本発明による検出部６に並列に接続する温度補正用コンデンサの静電容量Ｅを、温度補正範囲下限温度と温度補正範囲上限温度における検出部６の静電容量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。
図４に示した検出部６の圧電体１は温度に依存した静電容量、電荷感度ともやや右上がりで増加する。詳細は実施例によるが、本発明による検出部６に並列に接続する温度補正用コンデンサの静電容量Ｅを、温度補正範囲下限温度と温度補正範囲上限温度における検出部６の静電容量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。
【0031】
ＣＬ＝Ｄ＋Ｅ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ （２）
ＣＨ＝Ｃ０Ｈ＋Ｅ・・・・・・・・・・・・・・・・・・ （３）
静電容量Ｅを有する温度補正用コンデンサを並列に接続した圧電型電圧出力加速度センサの温度補正範囲下限温度での電荷感度ＳＱＬから算出される温度補正範囲下限温度における電圧感度をＳＶＬ、温度補正範囲上限温度での電荷感度ＳＱＨから算出される温度補正範囲上限温度における電圧感度をＳＶＨとすると、電圧感度は電荷感度と電荷源の静電容量との商で表されるから、式（４）、（５）となる。
ＣＨ＝Ｃ０Ｈ＋Ｅ・・・・・・・・・・・・・・・・・・ （３）
静電容量Ｅを有する温度補正用コンデンサを並列に接続した圧電型電圧出力加速度センサの温度補正範囲下限温度での電荷感度ＳＱＬから算出される温度補正範囲下限温度における電圧感度をＳＶＬ、温度補正範囲上限温度での電荷感度ＳＱＨから算出される温度補正範囲上限温度における電圧感度をＳＶＨとすると、電圧感度は電荷感度と電荷源の静電容量との商で表されるから、式（４）、（５）となる。
【0032】
ＳＶＬ＝ＳＱＬ／ＣＬ・・・・・・・・・・・・・・・・ （４）
ＳＶＨ＝ＳＱＨ／ＣＨ・・・・・・・・・・・・・・・・ （５）
電圧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、ＳＶＬとＳＶＨの両者を等しくすることであるから式（６）となる。
ＳＶＬ＝ＳＶＨ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ （６）
ＳＶＨ＝ＳＱＨ／ＣＨ・・・・・・・・・・・・・・・・ （５）
電圧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、ＳＶＬとＳＶＨの両者を等しくすることであるから式（６）となる。
ＳＶＬ＝ＳＶＨ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ （６）
【0033】
式（６）と式（２）、（３）及び式（４）、（５）より式（７）が得られる。
ＳＱＬ／ＣＬ＝ＳＱＨ／ＣＨ
ＳＱＬ／（Ｄ＋Ｅ）＝ＳＱＨ／（Ｃ０Ｈ＋Ｅ）・・・・・・ （７）
ＳＱＬ／ＣＬ＝ＳＱＨ／ＣＨ
ＳＱＬ／（Ｄ＋Ｅ）＝ＳＱＨ／（Ｃ０Ｈ＋Ｅ）・・・・・・ （７）
【0034】
ここで検出部６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・・・・・・・・・・・・・・・・・ （８）
Ｃ０Ｈ＝Ｂ・Ｄ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ （９）
ＳＱＨ＝Ａ・ＳＱＬ・・・・・・・・・・・・・・・・・ （８）
Ｃ０Ｈ＝Ｂ・Ｄ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ （９）
【0035】
式（７）に式（８）、（９）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）
よって、静電容量Ｅを有する温度補正用コンデンサＥは、
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。
静電容量Ｅを有する温度補正用コンデンサを並列に接続した圧電型電圧出力加速度センサの温度補正範囲下限温度での電荷感度ＳＱＬ、算出される温度補正範囲下限温度における電圧感度をＳＶＬとすると、温度補正範囲上限温度での電荷感度ＳＱＨから算出される温度補正範囲上限温度における電圧感度をＳＶＨとすると、電圧感度は電荷感度と電荷源の静電容量との商で表されるから、式（４）、（５）となる。
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）
よって、静電容量Ｅを有する温度補正用コンデンサＥは、
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。
静電容量Ｅを有する温度補正用コンデンサを並列に接続した圧電型電圧出力加速度センサの温度補正範囲下限温度での電荷感度ＳＱＬ、算出される温度補正範囲下限温度における電圧感度をＳＶＬとすると、温度補正範囲上限温度での電荷感度ＳＱＨから算出される温度補正範囲上限温度における電圧感度をＳＶＨとすると、電圧感度は電荷感度と電荷源の静電容量との商で表されるから、式（４）、（５）となる。
【0036】
ＳＶＬ＝ＳＱＬ／ＣＬ・・・（４）
ＳＶＨ＝ＳＱＨ／ＣＨ・・・（５）手順を説明する。
圧電型電圧出力加速度センサに静電容量Ｅを有する温度補正用コンデンサを並列に接続して電圧感度を平坦化させた程度が０．９ないし１．１の範囲内となるよう前記センサにおいて、温度補正用コンデンサ７の静電容量Ｅを次により決定する。
まず、使用する加速度センサ自体の温度特性を予め計測する。計測するパラメータは図４に示す温度特性を示す。検出部６の電荷感度と静電容量との商が電圧感度となることを利用し、静電容量の変化係数Ｂを、電荷感度の変化係数Ａとの商に着目し、
ＳＶＨ＝ＳＱＨ／ＣＨ・・・（５）手順を説明する。
圧電型電圧出力加速度センサに静電容量Ｅを有する温度補正用コンデンサを並列に接続して電圧感度を平坦化させた程度が０．９ないし１．１の範囲内となるよう前記センサにおいて、温度補正用コンデンサ７の静電容量Ｅを次により決定する。
まず、使用する加速度センサ自体の温度特性を予め計測する。計測するパラメータは図４に示す温度特性を示す。検出部６の電荷感度と静電容量との商が電圧感度となることを利用し、静電容量の変化係数Ｂを、電荷感度の変化係数Ａとの商に着目し、
【0037】
それぞれ測定して得られた前記センサの温度補正範囲下限温度－６０℃での静電容量をＤ、上限温度＋１２０℃での静電容量をＣ０Ｈ、前記下限温度での電荷感度ＳＱＬ、前記上限温度での電荷感度ＳＱＨとすると、式（８）、式（９）により算出された前記センサの電荷感度の温度係数Ａ、静電容量の温度係数Ｂと、式（２）～式（７）より得られた式を用いて、式（１）によって、算出された静電容量Ｅが決定される。これを図２ないし図に記載の温度補正用コンデンサ７として用いることが本発明の基本的な手法である。これにより、圧電型電圧出力加速度センサが提供される。
式をまとめると以下となる。
Ｅ＝Ｄ・（Ａ－Ｂ）／（１－Ａ）・・・・・・・・・・・・ （１）
ＣＬ＝Ｄ＋Ｅ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ （２）
ＣＨ＝Ｃ０Ｈ＋Ｅ・・・・・・・・・・・・・・・・・・ （３）
ＳＶＬ＝ＳＱＬ／ＣＬ・・・・・・・・・・・・・・・・ （４）
ＳＶＨ＝ＳＱＨ／ＣＨ・・・・・・・・・・・・・・・・ （５）
ＳＶＬ＝ＳＶＨ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ （６）
ＳＱＬ／（Ｄ＋Ｅ）＝ＳＱＨ／（Ｃ０Ｈ＋Ｅ）・・・・・・ （７）
ＳＱＨ＝Ａ・ＳＱＬ・・・・・・・・・・・・・・・・・ （８）
Ｃ０Ｈ＝Ｂ・Ｄ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ （９）
ここで、下限温度での電圧感度はＳＶＬ、上限温度での電圧感度はＳＶＨである。
式をまとめると以下となる。
Ｅ＝Ｄ・（Ａ－Ｂ）／（１－Ａ）・・・・・・・・・・・・ （１）
ＣＬ＝Ｄ＋Ｅ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ （２）
ＣＨ＝Ｃ０Ｈ＋Ｅ・・・・・・・・・・・・・・・・・・ （３）
ＳＶＬ＝ＳＱＬ／ＣＬ・・・・・・・・・・・・・・・・ （４）
ＳＶＨ＝ＳＱＨ／ＣＨ・・・・・・・・・・・・・・・・ （５）
ＳＶＬ＝ＳＶＨ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ （６）
ＳＱＬ／（Ｄ＋Ｅ）＝ＳＱＨ／（Ｃ０Ｈ＋Ｅ）・・・・・・ （７）
ＳＱＨ＝Ａ・ＳＱＬ・・・・・・・・・・・・・・・・・ （８）
Ｃ０Ｈ＝Ｂ・Ｄ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ （９）
ここで、下限温度での電圧感度はＳＶＬ、上限温度での電圧感度はＳＶＨである。
【0038】
この他、本発明は、前記平坦化させた程度を０．９５ないし１．１の範囲内とさせた前記記載の圧電型電圧出力加速度センサとすることが出来る。
さらに、本発明は、前記電圧感度の補償前後を比較した２０℃を基準とした変化係数が０．９から１.１の範囲で、－６０℃から＋１２０℃で使用可能な圧電型電圧出力加速度センサとすることが出来る。
さらに、本発明は、前記電圧感度の補償前後を比較した２０℃を基準とした変化係数が０．９から１.１の範囲で、－６０℃から＋１２０℃で使用可能な圧電型電圧出力加速度センサとすることが出来る。
【0039】
また、本発明のより具体的には、圧電体Ａでの前記平坦化させた程度を０．９５から１．０１の範囲内とさせてなる圧電型電圧出力加速度センサとして提供出来る。
この数値範囲とするためには、圧電体Ａでの温度補償範囲下限及び上限での電荷感度、静電容量を取得し、そこから算出される電荷感度、静電容量の変化係数より、温度補正用コンデンサ７は８５０ｐＦとなり、並列に接続して圧電型電圧出力加速度センサとすることができた。
この数値範囲とするためには、圧電体Ａでの温度補償範囲下限及び上限での電荷感度、静電容量を取得し、そこから算出される電荷感度、静電容量の変化係数より、温度補正用コンデンサ７は８５０ｐＦとなり、並列に接続して圧電型電圧出力加速度センサとすることができた。
【0040】
他方、圧電体Ｂでの前記平坦化させた程度を０．９１から１．０２の範囲内とさせてなる圧電型電圧出力加速度センサとすることができる。
この数値範囲とするためには、圧電体Ｂでの温度補償範囲下限及び上限での電荷感度、静電容量を取得し、そこから算出される電荷感度、静電容量の変化係数より、温度補正用コンデンサ７は１１００ｐＦとなり、並列に接続して圧電型電圧出力加速度センサとすることができた。
この数値範囲とするためには、圧電体Ｂでの温度補償範囲下限及び上限での電荷感度、静電容量を取得し、そこから算出される電荷感度、静電容量の変化係数より、温度補正用コンデンサ７は１１００ｐＦとなり、並列に接続して圧電型電圧出力加速度センサとすることができた。
【0041】
これらから、前記平坦化させた程度を０．９５から１．０１の範囲とした圧電体Ａの温度補正用コンデンサ７が８５０ｐＦを用いた場合と、０．９１から１．０２の範囲とした圧電体Ｂの温度補正用コンデンサ７が１１００ｐＦを用いた場合では、静電容量値との間に３０％程度の違いがあるが、これらを避けるためには予め図８の測定をすることでエラーを少なくすることができる。測定誤差の許容度により対策することが望ましい。
【0042】
本発明のより具体的には、前記電圧感度の補償前後を比較した２０℃を基準とした変化係数が０．９から１．１の範囲で、－６０℃から＋１２０℃で使用可能な圧電型電圧出力加速度センサとしても提供できることが認められた。
【産業上の利用可能性】
【0043】
圧電型電圧出力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、アンプを内蔵する手段等を用意することでも適用可能である。
【符号の説明】
【0044】
１ 圧電体
２ 負荷質量
３ 電極板
４ 締め付けネジ
５ コネクタ
６ 加速度センサ
７ 温度補正用コンデンサ
８ 検出部静電容量
９ 検出部電圧源
１０ 導線
１１ ケース
２ 負荷質量
３ 電極板
４ 締め付けネジ
５ コネクタ
６ 加速度センサ
７ 温度補正用コンデンサ
８ 検出部静電容量
９ 検出部電圧源
１０ 導線
１１ ケース
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】