JP2001041971A - 加速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 構造が簡素で、検出素子の実装基板への実装
が簡易かつ迅速にでき、実装時の検出素子の高さを抑え
ることができる、小型、高感度で低コストの加速度セン
サを提供する。 【解決手段】 板厚方向と直交する板厚直交方向に分極
処理され一面側で所定の実装基板20に実装される板状の
圧電体11と、圧電体11の前記一面側で実装基板20に接続
される第１の検出電極13と、少なくとも一部が圧電体11
の他面側で第１の検出電極13に対向する第２の検出電極
12と、を有するユニモルフ構造の検出素子10を備え、板
厚直交方向の加速度に応じ圧電体11にせん断歪みを生じ
させて前記加速度を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、加速度センサ、特
に圧電効果を利用する検出素子を備えた加速度センサ
で、内燃機関や電気モータにより走行する車両等におい
て加速度を測定又は検出するのに好適な加速度センサに
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の加速度センサとしては、電磁型、
圧電型、半導体型等の各種方式のものが知られている
が、車両等に使用される加速度センサでは、圧電材料の
電気・機械変換特性を利用して高検出感度を得るように
した圧電型が多用されている。また、高い周波数領域の
加速度を測定する場合、例えば自動車のエアバッグシス
テムに衝撃感知用センサとして使用されるような場合に
対応すべく、バイモルフ構造を採用して出力増大を図る
と共に検出素子の共振周波数を高くしたものが多用され
ている。なお、エアバッグシステムにおいては、その急
激な普及に伴い、加速度センサ及びエアバッグコントロ
ーラ自体の小型化、低コスト化、高性能化が要求されて
おり、その加速度センサは衝突加速度を高精度検出する
必要がある。

【０００３】この種の加速度センサとしては、例えば図
６〜図１２に示すようなものがある。

【０００４】図８及び図９において、１はシールドケー
スに固定されたベースユニットであり、ベースユニット
１の中央部には位置決めピン２ａを有する突起部２が電
気的絶縁状態で設けられている。３はベースユニット１
の突起部２に位置決めされ溶接固定された振動子であ
り、この振動子３は、図１０に示すように、振動板４
と、その表裏両面に圧電セラミックス素子５，６とで構
成されている。また、図１１に示すように，圧電セラミ
ックス素子５，６はそれぞれの両面にセンサ出力用の正
負の環状電極５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂと自己診断用の正
負の環状電極５ｃ，５ｄ，６ｃ，６ｄとを焼付け等によ
り形成したものであり、圧電セラミックス素子５の負の
電極５ｂ，５ｄと圧電セラミックス素子６の正の電極６
ａ，６ｃとを互いに対向させてこれら対向電極間をそれ
ぞれ導通接続することにより、検出素子としての静電容
量を倍にし、両圧電素子５，６の焦電効果（熱エネルギ
ーを吸収して自発分極の変化を起こし、その変化量に比
例して表面に電荷が誘起される現象を生じる）を相殺す
るようにしている。なお、図８において、１ａはグラン
ド（ＧＮＤ）用のリードピン、１ｂは出力用リードピ
ン、１ｃは電源供給用リードピン、１ｄは素子駆動用リ
ードピンであり、これらリードピン１ａ〜１ｄはそれぞ
れベースユニット１を支持する部材を兼用する構成とな
っている。

【０００５】この加速度センサでは、振動子３に図９中
の上下方向の加速度が加わるとき、振動板４が一面側で
凸、他面側で凹となる変形（撓み）を生じ、このとき、
圧電セラミックス素子５，６のうち一方が引き伸ばさ
れ、他方が圧縮されることで、各圧電セラミックス素子
５及び６の発生電圧を、電極５ａ，６ｂからボンディン
グワイヤ７ａ，７ｂ等を介して信号処理回路を含む信号
処理基板８に出力することができる。

【０００６】なお、自己診断用の正負の環状電極５ｃ，
６ｄの間に駆動回路９（図１０参照）からボンディング
ワイヤ７ｃ，７ｄ等を介して電圧（例えば交流電圧）を
印加することで、圧電セラミックス素子５，６により振
動板４を撓ませ（振動させ）、この撓みにより内側電極
５ａ．６ｂより電荷が発生し、この出力電圧を故障チェ
ック等の自己診断や較正用の出力として利用するように
なっている。また、図１２に示すように、振動板４の上
面側には環状突起４ａが形成されており、圧電セラミッ
クス素子５，６を振動板４に接着固定する際の接着剤流
れをこの環状突起４ａにより防止するようになってい
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の加速度センサにあっては、加速度検出用の圧電セラ
ミックス素子５，６を振動板４の両面に貼り付け、それ
ら振動板４及び圧電セラミックス素子５，６を位置決め
用の突起部２を介してベースユニット１に支持させる構
成となっていたため、検出素子を回路基板に直接実装す
ることができず、構造が複雑であるばかりでなく検出方
向と直交する方向にかさばる構造となっていた。

【０００８】そのため、検出すべき加速度（振動、衝
撃）によって検出方向とは異なる方向に不要な振動等が
生じ易く、小型化を図りながら検出精度の向上を図るこ
とが困難であった。

【０００９】しかも、電極５ａ，６ｂ及び電極５ｂ，６
ｄと、これらから離れた実装基板８とを、ボンディング
ワイヤ７ａ，７ｂ及び７ｃ，７ｄ、更に端子７ｅ，７
ｆ，７ｇを介して電気接続していたため、構造の複雑さ
のみならず、実装工程も複雑で手間のかかるものとな
り、コスト高を招いていた。なお、端子７ｆは信号処理
基板８を介してリードピン１ｄと接続されており、この
リードピン１ｄより故障（自己）チェック信号が入力さ
れる。

【００１０】そこで本発明は、構造が簡素で、検出素子
の実装基板への実装が簡易かつ迅速にでき、実装時の検
出素子の高さを抑えることができる、小型で低コストの
加速度センサを提供するものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項１記載の発明に係る加速度センサは、板厚方
向と直交する板厚直交方向に分極処理され一面側で所定
の実装基板に実装される板状の圧電体と、前記圧電体の
前記一面側で前記実装基板に接続される第１の検出電極
と、少なくとも一部が前記圧電体の他面側で前記第１の
検出電極に対向する第２の検出電極と、を有するユニモ
ルフ構造の検出素子を備え、前記板厚直交方向の加速度
に応じ前記圧電体にせん断歪みを生じさせて前記加速度
を検出することを特徴とする。この発明では、圧電体が
実装基板に直接実装され、その圧電体の板厚直交方向の
加速度が検出されるので、振動板やベースユニット等を
設ける必要がなく構造が簡素となる。しかも、実装基板
上の検出素子の高さが大幅に縮小され、不要な振動等を
生じ難いから、構造の簡素化のみならず、小型で高精度
の加速度センサが得られる。

【００１２】また、請求項２記載の発明に係る加速度セ
ンサは、前記第１の検出電極が前記圧電体の前記一面を
覆う電極であり、前記第２の検出電極が前記圧電体の前
記他面を覆う電極であることを特徴とする。この発明で
は、圧電体の板厚直交方向の分極に対して板厚方向に検
出電極が対向する配置となっているから、温度変化に伴
って圧電体に焦電効果が生じても、電極面に生じる焦電
電荷は非常に小さく、しかも、対向電極面を確保して静
電容量を十分確保することができるから、高感度の加速
度センサが実現できる。

【００１３】請求項３記載の発明に係る加速度センサ
は、前記圧電体の前記他面側に固定された錘体と、前記
錘体の表面に設けられ前記第２の電極に接続された電荷
取り出し電極と、を備え、前記加速度に応じた略せん断
方向の力が、前記錘体から前記検出素子に加わるように
したことを特徴とする。この発明では、錘体を利用する
ことで、広範な使用条件において圧電体に加速度に応じ
た所要の力を加えて十分なせん断歪みを生じさせること
ができ、高感度の加速度センサを実現できる。

【００１４】請求項４記載の発明に係る加速度センサ
は、前記圧電体が、圧電セラミックス若しくは圧電性単
結晶で構成されたことを特徴とする。この発明では、圧
電セラミックスや圧電性単結晶からなる圧電体を用いる
ことでと、蒸着やメッキ等により表面の電極形成が容易
にでき、かつ安定した性能が得られる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態
を図面に基づいて説明する。

【００１６】図１〜図５は本発明に係る加速度センサの
一実施形態を示す図ある。図１（ａ）及び図１（ｂ）に
おいて、10は実装基板としての回路基板20に実装される
ユニモルフ構造の検出素子であり、この検出素子10は、
板状の圧電体11と、圧電体11の表面に平坦な膜状に設け
られた上面側検出電極12（第２の電極）及び下面側検出
電極13（第１の電極）と、を有している。

【００１７】圧電体11は、予め板厚方向と直交する板厚
直交方向（図１（ａ）中の矢印Ｐ方向）に分極処理を施
したもので、例えば圧電セラミックス素子で構成されて
いる。この圧電体11は、分極方向の電界では伸縮を生じ
るが、板厚方向の電界では上下面を逆方向にずらすよう
なせん断歪みを生じる性質を有し、前記板厚直交方向
（図１（ｂ）中の左右方向）に向かう外力によってそれ
に対応するせん断応力が生じたときには、両面側の検出
電極12，13の間に前記せん断応力に応じた電圧を発生す
るようになっている。なお、圧電体11は、前記圧電セラ
ミックス素子のみならず、これと同様な機能を発揮でき
る水晶や圧電性単結晶から構成されたものでもよい。

【００１８】上面側検出電極12及び下面側検出電極13
は、圧電体11の表面部に蒸着又はメッキ等により形成さ
れ、圧電体11の両面に対向配置されている。また、下面
側検出電極13は上面側検出電極12に対し逆極性となって
おり、この下面側検出電極13が回路基板20のプラス側電
極21（図２参照）に導通する状態で回路基板20上に検出
素子10が直接に載置され、例えば導電性接着剤16により
回路基板20に固定されている。

【００１９】また、検出素子10はその上面側に錘体（お
もり）14を固定し一体化した素子ユニットとして構成さ
れており、錘体14は、接着剤17により検出素子10に固定
された固定面14ａと、固定面14ａと所定の交差角（略直
角）をなす側面14ｂとを有している。この錘体14は、圧
電体11の板厚直交方向（図１（ｂ）中で左右方向）に向
かって加速されるとき、その加速度と錘体14の質量とに
応じた略せん断（剪断）方向の力を検出素子10に加え、
検出素子10の圧電体11にせん断歪みを生じさせることが
できる。

【００２０】また、検出素子10には検出素子10の下面側
検出電極13に対面する底面板部23が設けられており、こ
の底面板部23は回路基板20のプラス側電極21に接続され
ている。また、センサ感度を高めるよう、錘体14は底面
板部23と同一の材料若しくはこれに近い熱膨張係数の材
料からなる。勿論、専用の底面板部23をなくして、検出
素子10の電極配置を回路基板20に直付けすることもでき
る。また、導電接着剤16，17が半田等であってもよいこ
とはいうまでもない。

【００２１】一方、錘体14の側面14ｂには、蒸着又はメ
ッキ等により膜状に形成された電荷取り出し電極15が設
けられている。この電荷取り出し電極15は、導電性接着
剤17により上面側検出電極12に電気的に接続されるとと
もに、回路基板20のマイナス側電極22に導電性接着剤又
は半田18によって接着固定されている。19は、検出素子
10の側端面から露出する下面側検出電極13の端面を覆う
よう、検出素子10の側端面と回路基板20との間に塗布さ
れ固化した絶縁性の接着剤である。

【００２２】図３及び図４に示すように、前記検出素子
10及び回路基板20は、センサ基台31ａ及び封止キャップ
31ｂからなるハーメチックシール構造のシールドケース
31内に収納され、信号処理基板25とセンサ出力用、グラ
ンド用、電源用及び容量チェック用のリードピン32，3
3，34，35とを有するセンサユニット30として構成され
ており、検出素子10が回路基板20に実装された状態で錘
体14に圧電体11の板面（上面、下面）方向に向かう加速
度を受けるように取り付け方向が規定されている。な
お、信号処理基板25は、詳細な回路構成を図示しない
が、インピーダンス変換回路、出力増幅回路、濾波回
路、温度補償回路等を含んで構成されている。

【００２３】検出素子10の実装時には、まず、下面側検
出電極13を導電性の接着剤や半田等でプラス側電極21に
接続するとともに回路基板20に固定し、次いで、検出素
子10の側端面から露出する下面側検出電極13の端面を覆
うように、検出素子10の側端面と回路基板20との間に絶
縁性の接着剤19を塗布する。次いで、錘体14の固定面14
ａを接着剤17により検出素子10の上面側検出電極12に接
着固定するとともに、錘体14の側面14ｂの電荷取り出し
電極15を上面側検出電極12に導通するよう接続する。次
いで、電荷取り出し電極15を回路基板20のマイナス側電
極22に導電性接着剤又は半田18によって接着固定する。

【００２４】以上のように構成された加速度センサにお
いては、加速度検出時に、錘体14が例えば図５に実線で
示す位置から仮想線で示す位置に移動するよう矢印Ａ方
向に加速度を受け、その質量と加速度に応じた力を検出
素子10に加えることになる。このとき、検出素子10には
せん断歪みが生じるから、ユニモルフ構造の検出素子10
の検出電極12，13間に前記加速度に応じた電圧が生じ、
その電圧信号が信号処理基板25により信号処理（インピ
ーダンス変換、フィルタリング、増幅等）されて、セン
サ出力が得られる。

【００２５】本実施形態においては、圧電体11の表面に
検出電極12，13を形成するだけの簡素な検出素子10を構
成して、圧電体11の板厚直交方向の加速度を検出するの
で、従来のバイモルフ構造のように検出素子を振動板の
両面に貼り付けたりベースユニットを設けたりする必要
がなく、構造の簡素化のみならず、小型で高精度の加速
度センサが得られる。

【００２６】また、両電極12，13の少なくとも一方を回
路基板20側の検出電極に接続するように圧電体11を回路
基板20に直付けする実装形態が採用できるから、実装基
板上における検出素子の高さの縮小（低背化）を図るこ
とが可能になり、不要な振動等を生じ難くして高感度の
センサを得ることができる。しかも、従来のようにワイ
ヤボンディング等の面倒な接続作業を行う必要が無いば
かりでなく、検出素子10を形成する際に圧電体11の複数
個分のサイズを有する圧電材に蒸着やメッキにより複数
組の電極を形成したり、蒸着膜やメッキ膜の部分的な剥
離処理を行ったりして、検出素子10を多数個採りするこ
とが可能な圧電体ユニットを作製し、これから1列又は
複数の所定列分ずつの検出素子10を切り出し加工する等
して製造工程の大幅な簡易化を図ることができる。した
がって、小型で高精度の加速度センサを低コストで提供
することができる。

【００２７】また、圧電体11の板厚直交方向の分極に対
して、圧電体11の板厚方向に検出電極12，13が対向して
いるので、温度変化によって圧電体11に焦電効果が生じ
たとしても、そのとき検出素子10の電極面に生じる不要
な焦電電荷は非常に小さく、しかも、対向電極12，13の
面積を十分に確保して静電容量を十分確保することがで
きる。したがって、高感度の加速度センサが実現でき
る。

【００２８】さらに、本実施形態においては、錘体14を
利用することで、広範な使用条件において圧電体11に所
要の力を加え、せん断歪みを生じさせることができるの
で、検出方向と直交する方向の高さ寸法を小さくことが
できるとともに、高感度の加速度センサを実現できる。
また、錘体14の側面14ｂを利用して十分な面積の接続容
易な電荷取り出し電極15を形成することができ、実装作
業の容易化を図ることができる。また、圧電セラミック
スや圧電性単結晶からなる圧電体11を用いているので、
蒸着やメッキ等により表面の電極12，13を容易に形成す
ることができ、かつ成形加工や分極処理等によって安定
した性能が得られる。

【００２９】なお、上述の実施形態においては、検出素
子10の検出電極12，13を圧電体11の両面に設けたが、例
えば上面側の電極の端部を下面側まで回り込ませる構造
とし、実装基板側に対向配置した正負の電極に直付けす
るような実装形態をとることもできる。また、第２の検
出電極が圧電体の他面側で第１の検出電極に接続され
る。

【００３０】図６は本発明に係る加速度センサの他の実
施形態を示す図である。なお、以下に説明する実施形態
は、パッケージングの態様が図１〜図５に図示した例と
は異なるものの、内部の検出素子周辺の構成は上述の実
施形態とほぼ同様であるので、その同様な構成について
は上述と同一の符号を用いて説明する。

【００３１】図６に示すように、この加速度センサは、
圧電体11に錘体14を一体化した検出素子10を回路基板20
に実装し、これと信号処理基板25をセラミックパケージ
40に収納して、セラミック製のリッド（蓋）41により気
密的にシールしたものである。ここで、セラミックパケ
ージ40は、詳細を図示しないが、内部接続用の複数の電
極と、上述の４本のリードピン31〜34に対応する4つの
外部電極とを有しており、検出素子10を実装した回路基
板20と信号処理基板25を外部の回路基板に直接実装でき
る形態となっている。

【００３２】このようにしても、上述例と同様な効果を
得ることができる。

【００３３】図７は、本発明に係る加速度センサの更な
る他の実施例を示す図である。

【００３４】同図に示すように、この加速度センサは、
圧電体11に錘体14を一体化した検出素子10を、上述の信
号処理基板25と同様に機能する信号処理回路を搭載した
回路基板50に実装し、その回路基板50に信号線と固定用
の支柱部材であるリードピン51，52，53，54を装着した
ものである。なお、各リードピン52，53，54には基板実
装時のピン先端の挿入深さを規定する拡径部52ａ，53
ａ，54ａが設けられており、リードピン51にも図示しな
い同様な拡径部が設けられている。

【００３５】このようにしても、上述例と同様な効果を
得ることができ、パッケージやシールが不要な場合によ
り簡素で低コストの加速度センサとすることができる。
また、検出電極とは別に圧電体の両面に駆動電極を設け
てせん断歪みを生じさせ、自己診断機能を持たせること
も考えられる。

【００３６】

【発明の効果】本発明の加速度センサによれば、圧電体
を実装基板に直接実装するとともに、加速度検出用の少
なくとも一方の検出電極を実装基板側に接続するように
しているので、振動板やベースユニット等を設ける必要
がなく構造が簡素となるとともに、実装基板上の検出素
子の高さを大幅に縮小し、不要な振動等を生じ難くし
て、構造の簡素な、小型でかつ高精度の加速度センサを
得ることができる。

【００３７】また、圧電体の板厚直交方向の分極に対し
て板厚方向に検出電極が対向する配置として、温度変化
時等に電極面に生じる焦電電荷を非常に小さくしている
ので、検出精度を低下し難くすることができる。しか
も、板状圧電体の両面に逆極性の電極を配置すれば、静
電容量を十分確保することができ、高感度の加速度セン
サを実現することができる。

【００３８】さらに、錘体を利用することで、広範な使
用条件において圧電体に加速度に応じた所要の力を加え
て十分なせん断歪みを生じさせるようにすれば、高感度
の加速度センサを実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る加速度センサを示す
図であり、（ａ）はその要部正面図、（ｂ）は（ａ）の
Ｂ1-Ｂ1矢視断面図である。

【図２】図１に示す加速度センサの要部斜視図である。

【図３】一実施形態に係る加速度センサのシールドケー
ス内部を示すその斜視図である。

【図４】一実施形態に係る加速度センサの回路基板を示
すその斜視図で、（ａ）は検出素子の実装基板を、
（ｂ）はその信号処理基板を示している。

【図５】一実施形態に係る加速度センサの作用説明図で
ある。

【図６】本発明に係る加速度センサの他の実施形態を示
すその斜視図ある。

【図７】本発明に係る加速度センサの更なる他の実施形
態を示すその斜視図ある。

【図８】従来例の加速度センサの検出素子周辺の平面図
である。

【図９】従来例の加速度センサの検出素子周辺の構成を
示すその側面断面図である。

【図１０】従来例の加速度センサの振動子、検出部及び
自己診断部を示すその構成図である。

【図１１】従来例の加速度センサの振動子の貼り合わせ
構造を説明するその分解斜視図である。

【図１２】従来例の加速度センサの振動板を示す図で、
（ａ）はその平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ2−Ｂ2矢視断
面図である。

【符号の説明】

10 検出素子 11 圧電体 12 上面側検出電極（第２の電極） 13 下面側検出電極（第１の電極） 14 錘体 14ａ 固定面 14ｂ 側面 15 電荷取り出し電極 20 回路基板（実装基板） 21 プラス側電極 22 マイナス側電極 23 底面板部 25 信号処理基板 30 センサユニット 40 セラミックパッケージ 50 回路基板 51，52，53，54 リードピン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 馬場 啓之 神奈川県横浜市港北区綱島東四丁目３番１ 号 松下通信工業株式会社内 (72)発明者 関野 晴彦 神奈川県横浜市港北区綱島東四丁目３番１ 号 松下通信工業株式会社内 (72)発明者 福田 徹 神奈川県横浜市港北区綱島東四丁目３番１ 号 松下通信工業株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】板厚方向と直交する板厚直交方向に分極処
   理され一面側で所定の実装基板に実装される板状の圧電
   体と、前記圧電体の前記一面側で前記実装基板に接続さ
   れる第１の検出電極と、少なくとも一部が前記圧電体の
   他面側で前記第１の検出電極に対向する第２の検出電極
   と、を有するユニモルフ構造の検出素子を備え、前記板
   厚直交方向の加速度に応じ前記圧電体にせん断歪みを生
   じさせて前記加速度を検出することを特徴とする加速度
   センサ。
2. 【請求項２】前記第１の検出電極が前記圧電体の前記一
   面を覆う電極であり、前記第２の検出電極が前記圧電体
   の前記他面を覆う電極であることを特徴とする請求項１
   に記載の加速度センサ。
3. 【請求項３】前記圧電体の前記他面側に固定された錘体
   と、前記錘体の表面に設けられ前記第２の電極に接続さ
   れた電荷取り出し電極と、を備え、 前記加速度に応じた略せん断方向の力が、前記錘体から
   前記検出素子に加わるようにしたことを特徴とする請求
   項１又は２に記載の加速度センサ。
4. 【請求項４】前記圧電体が、圧電セラミックス若しくは
   圧電性単結晶で構成されたことを特徴とする請求項１〜
   ３のいずれかに記載の加速度センサ。