JP2001066317A

JP2001066317A - 加速度センサ

Info

Publication number: JP2001066317A
Application number: JP24348799A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Baba; 啓之馬場; Shogo Asano; 勝吾浅野; Yasuyuki Nakano; 泰之中野
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-08-30
Filing date: 1999-08-30
Publication date: 2001-03-16

Abstract

(57)【要約】【課題】比較的構造が簡単であり、低価格で、高い性
能を有する優れた加速度センサを提供することを目的と
する。【解決手段】圧電素子材からなり、中心孔３３ｃと、
所定の厚さと、２つの平面３３ａおよび３３ｂと、を有
するシート状の少なくとも１枚の圧電素子３３と、圧電
素子３３の一方の平面３３ａ上に部分的に延在するよう
に形成された電極３５ｂと、所定の厚さと、実質的に水
平な２つの平面３７ａおよび３７ｂと、を有し、この平
面の少なくとも１方の面３７ａ上に圧電素子３３の他方
の平面３３ｂを接着剤により接着した導電性部材からな
る振動板３７と、振動板３７の中心部で振動板３７を支
持する支持部１１ａと、を備えた加速度センサ３１にお
いて、圧電素子３３が、一方の平面３３ａに実質的に平
行な方向で、かつ中心から外周方向または外周から中心
方向に分極する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、加速度センサに関
し、特に、車載用等に用いられ、振動を電気信号に変換
する圧電素子を備えた加速度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、実用化されている加速度セン
サには、電磁型、圧電型、半導体型等種々の方式により
加速度を検出するものが知られている。圧電型加速度セ
ンサは、振動を電気信号に変換する圧電素子を備えたも
のであり、例えば、図６に示されるようなものがある。
この従来の圧電型加速度センサ１は、振動変換器１０
と、振動変換器１０と一体となって振動変換器１０を支
持する支持プレート１１と、振動変換器１０と電気的に
接続されるプリント基板１３と、プリント基板１３と接
続ピン１４を介して電気的に接続されるとともに、電気
インピーダンス変換器、アンプ、補正回路などの電気部
品１５が搭載されたプリント基板１７と、支持プレート
１１と抵抗溶接等により電気的に接続されるとともに固
定され、振動変換器１０、プリント基板１３および１７
を収容するケース１８と、を備えている。

【０００３】支持プレート１１とケース１８は、一般的
には電気回路のアースと接続され、シールドとして構成
される。

【０００４】従来の圧電型加速度センサ１の振動変換器
１０は、中心孔３ａを有する１対の円盤型の圧電素子３
と、圧電素子３が導電性接着剤等により接着される両面
７ａおよび７ｂを有する円盤型の金属振動板７と、を備
えている。

【０００５】各圧電素子３には、少なくとも１つの表面
上に、中心孔を有する円盤状の配線用の大径の電極５ａ
と、小径の電極５ｂとが同軸の二重となるように形成さ
れており、この電極５ａおよび５ｂが、ワイヤボンディ
ング等によるワイヤ６によりプリント基板１３に電気的
に接続されている。

【０００６】各圧電素子３はセラミックス等からなり、
図７に示されるように、圧電素子３の表面に対して実質
的に垂直な矢印Ｄ１およびＤ２に示される方向にそれぞ
れ分極している。

【０００７】図７の等価結線図に示されるように、従来
の加速度センサ１において、振動変換器１０の一対の圧
電素子３は、互いに電極５ａおよび５ｂを介して電気的
に並列に接続されている。電極５ａは、外部の発振器１
９に電気的に接続され、外部発振器１９から所定の電圧
を印加することにより、振動板７を振動させる。一方、
電極５ｂを介して、振動板７の振動に応じて圧電素子３
に生じた電位を外部へ取り出すようになっている。この
ようにして加速度センサ１にかかる加速度が、振動板７
の振動に応じて電極５ｂを介して電気信号として取り出
され、検出される。

【０００８】また、一方の電極５ａに外部から所定の電
圧を印加して振動板７を振動させ、振動によって発生し
た電位を他方の電極５ｂから取り出すことにより、加速
度センサのレベル校正や、センサ機能の良否の自己診断
機能を実現することができる。

【０００９】図８は、加速度センサの振動に対する一定
加速度における周波数特性の例であり、図に示されるよ
うに、共振点ｆ₀付近では、高いＱを有するが、中およ
び低周波数領域では平坦な特性を示す。一般的には、加
速度センサの使用目的により、平坦部または共振点ｆ₀
近傍の振動出力を選択して使用する。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ような従来の加速度センサ１においては、圧電素子３内
の分極方向が素子平面に垂直な方向なため、電極５ａお
よび５ｂが設けられている平面上に焦電気が発生する。
この焦電効果をキャンセルするべく、圧電素子３内の分
極方向が逆方向となるように電極５ａおよび５ｂがそれ
ぞれ電気的に直列または並列接続されるが、それでも完
全に焦電効果をキャンセルすることはできず、特に、極
低い周波数で加速度センサを使用する場合、電気回路の
動作点等に悪影響を与えるといった問題点があった。

【００１１】さらに、従来の加速度センサ１において
は、上記の焦電効果の悪影響を抑制するために、複数枚
の圧電素子が必要であることから、構造が複雑で作製に
手間が掛り、コスト高になってしまうという問題点があ
った。

【００１２】そこで、本発明は、上記の問題点に鑑みて
なされたものであり、比較的構造が簡単であり、低価格
で、高い性能を有する優れた加速度センサを提供するこ
とを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、上記課題を解決するために、圧電素子材からなり、
所定の厚さと、２つの平面と、を有するシート状の少な
くとも１枚の加速度検出素子と、前記加速度検出素子の
一方の平面上に部分的に延在するように形成された電極
と、所定の厚さと、実質的に水平な２つの平面と、を有
し、この平面の少なくとも１方の面上に前記加速度検出
素子の他方の平面を接着剤により接着した導電性部材か
らなる振動板と、この振動板を振動可能に支持する支持
部と、を備えた加速度センサにおいて、前記加速度検出
素子が、前記一方の平面に実質的に平行な方向に分極し
ていることを特徴とする。

【００１４】圧電素子材は、振動を電気信号に変換する
特性を有すものであり、圧電セラミック素子材や、Ｌｉ
ＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃等の単結晶性圧電素子材からな
る。

【００１５】この構成によれば、加速度検出素子が、平
面に実質的に平行な方向に分極しているので、加速度検
出素子の平面上への焦電気の発生を抑制でき、加速度検
出素子の平面上に設けられている電極へ焦電効果の影響
を大幅に削減することができる。これは、通常、焦電気
は素子内の分極方向先端にある表面に起きるからであ
る。つまり、本願の加速度検出素子においては、焦電気
は加速度検出素子の側面上に発生するので、電極への影
響を大幅に抑えることができる。

【００１６】請求項２に記載の発明は、上記課題を解決
するために、請求項１に記載の加速度センサにおいて、
前記加速度検出素子を２枚、前記振動板両面に、分極方
向が同一方向となるように前記接着剤によりそれぞれ接
着され、前記２枚の加速度検出素子が互いに前記電極を
介して電気的に並列に接続されることを特徴とする。

【００１７】この構成によれば、２枚の前記加速度検出
素子が、前記振動板の両面に前記分極方向が同一方向と
なるようにそれぞれ接着されるとともに、互いにその表
面上に形成された電極を介して電気的に並列に接続され
るので、加速度検出素子全体の容量を大きくすることが
でき、かつ、焦電効果の悪影響もさらに小さくすること
ができる。

【００１８】請求項３に記載の発明は、上記課題を解決
するために、請求項１に記載の加速度センサにおいて、
前記加速度検出素子を２枚、前記振動板両面に、分極方
向が逆方向となるように前記接着剤によりそれぞれ接着
され、前記２枚の加速度検出素子が互いに前記電極を介
して電気的に直列に接続されることを特徴とする。

【００１９】この構成によれば、２枚の前記加速度検出
素子が、前記振動板の両面に前記分極方向が逆方向とな
るようにそれぞれ接着されるととに、互いにその表面上
に形成された電極を介して電気的に直列に接続されるの
で、焦電効果を２つの加速度検出素子が互いに逆方向の
分極により相殺することができ、焦電効果による悪影響
をさらに抑制することができ、かつ、出力感度を高める
ことができる。

【００２０】請求項４に記載の発明は、前記加速度検出
素子が、中心孔を有する円盤型であり、前記支持部が、
前記振動板の中心部で前記振動板を支持し、前記加速度
検出素子が、中心から外周方向または外周から中心方向
に分極していることを特徴とする。

【００２１】この構成によれば、加速度検出素子が、中
心から外周方向または外周から中心方向に分極している
ので、すなわち、１つの加速度検出素子内で、中心部に
対して互いに逆向きに分極させているので、焦電効果を
相殺することができ、これにより加速度検出素子が１つ
でも焦電効果の悪影響を大幅に削減できる。従って、加
速度検出素子の必要枚数を削減することができるので比
較的構成が簡素化であり、低価格で量産性が高く高性能
な加速度センサが得られるという効果がある。

【００２２】請求項４に記載の加速度センサにおいて、
前記電極が、前記加速度検出素子と同心円で、かつ前記
加速度検出素子の平面と実質的に平行な２つの平面を有
するリング状であってもよい。

【００２３】また、請求項１乃至５に記載の加速度セン
サにおいて、前記加速度検出素子が、２つの前記電極を
備えてもよい。

【００２４】

【発明の実施の形態】本発明に係る加速度センサは、圧
電素子材からなり、所定の厚さと、２つの平面と、を有
するシート状の少なくとも１枚の加速度検出素子と、前
記加速度検出素子の一方の平面上に部分的に延在するよ
うに形成された電極と、所定の厚さと、実質的に水平な
２つの平面と、を有し、この平面の少なくとも１方の面
上に前記加速度検出素子の他方の平面を接着剤により接
着した導電性部材からなる振動板と、前記振動板の中心
部でこの振動板を支持する支持部と、を含む振動変換器
を備えている。加速度センサにおいて、前記加速度検出
素子が、前記一方の平面に実質的に平行な方向に分極し
ている。

【００２５】このように構成された加速度センサによれ
ば、加速度検出素子が、平面に実質的に平行な方向に分
極しているので、加速度検出素子の平面上への焦電気の
発生を抑制でき、加速度検出素子の平面上に設けられて
いる電極へ焦電効果の影響を大幅に削減することができ
る。これは、通常、焦電気は素子内の分極方向先端にあ
る表面に起きるからである。つまり、本願の加速度検出
素子においては、焦電気は側面上に発生する。

【００２６】以下に図面に基づいて、本発明の詳細な説
明を示すが、本発明は以下の実施例により限定されるも
のではない。尚、すべての図面において、同様な構成要
素は同じ参照記号および符号を用いて示してある。

【００２７】

【第１実施例】図１は、本発明に係る加速度センサの第
１実施例の断面立面図である。同図に示されるように、
第１実施例の加速度センサ３１は、振動変換器４０と、
図６に示された従来の加速度センサ１と同じ支持プレー
ト１１と、プリント基板１３および１７と、ケース１８
と、を備えている。従来の加速度センサ１と同じ構成要
素には同じ符号を付して詳細な説明は省略する。

【００２８】本実施例において、プリント基板は２枚で
構成されているが、これに限定されるものではなく、１
枚でもあるいは３枚以上であっても良い。

【００２９】振動変換器４０は、図２に示されるよう
に、圧電セラミックスなどの圧電素子材からなる圧電素
子３３を備えている。圧電素子３３は、ＬｉＮｂＯ₃、
ＬｉＴａＯ₃等の単結晶圧電素子材を用いて構成しても
よい。圧電素子３３は、所定の厚さと、２つの平面３３
ａおよび３３ｂと、を有する円盤形状であり、さらにそ
の中心部に中心孔３３ｃが形成されている。圧電素子３
３の少なくとも一方の平面３３ａ上に、部分的に延在す
るように形成された電極３５ａおよび３５ｂが形成され
る。図３は振動変換器４０の上面図であり、同図に示さ
れるように、本実施例において、電極３５ａおよび３５
ｂは、圧電素子３３と同心円で、かつ圧電素子３３の平
面３３ａと実質的に平行な２つの平面を有するリング状
に形成されており、電極３５ａが大径で、電極３５ｂが
小径で、同軸に二重に配置されている。本実施例におい
て、電極３５ａおよび３５ｂはリング状であるが、これ
に限定されるものではなく、弧状、矩形など様々な形状
を有しても良い。

【００３０】図２に戻り、振動変換器４０は、金属など
の導電性部材からなる振動板３７をさらに備えている。
振動板３７は、所定の厚さと、実質的に水平な２つの平
面３７ａおよび３７ｂと、を有する円盤形状である。振
動板３７の形状は円盤型に限定されるものではなく、棒
状など様々な形状が考えられる。本実施例において、圧
電素子３３の他方の平面３３ｂが、振動板３７の一方の
平面３７ａ上に導電性接着剤により接着されている。他
の実施例において、接着剤は非導電性のものであっても
よい。本実施例では、振動板３７の中央部で支持部１１
ａにより振動板３７を実質的に鉛直方向に振動可能に支
持しているが、これに限定されるものではなく、例え
ば、円盤の周囲部でクランプするタイプ、あるいは、棒
状の振動板を片持ちに固定したタイプなど、様々な方式
が考えられる。

【００３１】本実施例において、圧電素子３３は、図２
の矢印Ｄ３およびＤ４で示されるように、金属振動板３
７の平面３７ａに実質的に平行な方向で、かつ中心から
外周方向に分極している。他の実施例において、分極方
向は、外周から中心方向に向かう方向であっても良い。

【００３２】本実施例において、圧電素子３３は、円盤
形状であるが、これに限定されるものではなく、所定の
厚さと、２つの平面を有するシート状であれば良い。本
実施例のような円盤形状にした場合、圧電素子３３内の
分極方向を容易に均一にすることができるので好まし
い。さらに振動も均一にできる。これにより高性能な加
速度センサを提供することが可能となる。

【００３３】他の実施例において、圧電素子３３は、そ
の両方の平面３３ａおよび３３ｂ上に、電極３５ａおよ
び３５ｂをそれぞれ設けてもよく、このようにすれば、
加速度センサの製造工程において、圧電素子３３を振動
板３７に接着する際、圧電素子３３上の電極３５ａおよ
び３５ｂの設置面、すなわち、圧電素子３３の裏表を気
にすることなく取付が可能となり、圧電素子３３の扱い
が楽になるので、製造コストをより低く抑えることがで
きる。

【００３４】尚、本実施例では、２つの電極３５ａおよ
び３５ｂを備えているが、これは前述した自己診断機能
等を有する加速度センサを提供するためのものであり、
少なくとも１つの電極を備えれば、加速度センサとして
の機能を果たすことができる。

【００３５】本実施例では、電極３５ａは入力端子４５
を介して外部発振器１９から印加された電圧を入力す
る。一方、電極３５ｂは出力端子４１を介して振動によ
って発生した電位を出力する。

【００３６】上記のように構成された振動変換器４０を
備えた加速度センサ３１によれば、電極３５ａおよび３
５ｂが、焦電効果の影響が大きい平面、すなわち圧電素
子３３の側面とは直交する平面３３ａ上に設置されてい
るため、圧電素子３３特有の温度変化による焦電効果の
影響を抑制することができる。また、図２の矢印Ｄ３お
よびＤ４で示されるように、分極方向が互いに中心部か
ら逆向きになるため、圧電素子３３内の分極の影響が相
殺され、より焦電気の発生を抑制することが可能であ
る。

【００３７】

【第２実施例】図４は、本発明に係る加速度センサの振
動変換器の第２実施例の等価的結線図である。本実施例
において、加速度センサの振動変換器以外の構成は、第
１実施例と同じであるので、説明は省略する。また、第
１実施例と同じ構成には同じ符号を付して詳細な説明は
省略する。

【００３８】同図に示されるように、第２実施例の振動
変換器５０は２枚の圧電素子３３を備えている。２枚の
圧電素子３３の分極方向Ｄ３およびＤ４が同一方向とな
るように振動板３７の両面３７ａおよび３７ｂに、導電
性接着剤によりそれぞれ接着される。他の実施例におい
て、接着剤は非導電性のものであってもよい。２枚の圧
電素子３３の電極３５ａおよび３５ｂが、入力端子５５
および出力端子５１介して互いに電気的に並列に接続さ
れる。

【００３９】このように構成された振動変換器５０を備
えた加速度センサは、圧電素子３３は２枚必要となる
が、圧電素子３３全体の容量を大きくすることができ、
かつ、焦電効果の悪影響もさらに小さくすることができ
る。

【００４０】

【第３実施例】図５は、本発明に係る加速度センサの振
動変換器の第３実施例の等価的結線図である。本実施例
において、加速度センサの振動変換器以外の構成は、第
１実施例と同じであるので、説明は省略する。また、第
１実施例と同じ構成には同じ符号を付して詳細な説明は
省略する。

【００４１】同図に示されるように、第３実施例の振動
変換器６０は２枚の圧電素子３３および６３を備えてい
る。２枚の圧電素子３３および３７の分極方向Ｄ３およ
びＤ５、あるいはＤ４およびＤ６が互いに逆方向となる
ように振動板３７の両面３７ａおよび３７ｂに、導電性
接着剤によりそれぞれ接着される。他の実施例におい
て、接着剤は非導電性のものであってもよい。２枚の圧
電素子３３および６３の電極３５ａおよび６５ａ、ある
いは、電極３５ｂおよび６５ｂが、端子６５および６７
あるいは端子６１および６３介して電気的に直列に接続
される。

【００４２】このように構成された振動変換器６０を備
えた加速度センサは、圧電素子は２枚必要となるが、焦
電効果を２つの圧電素子３３および６３が互いに逆方向
の分極により相殺することができ、焦電効果による悪影
響をさらに抑制することができ、かつ、出力感度を高め
ることができる。

【００４３】

【発明の効果】本発明によれば、加速度検出素子が、平
面に実質的に平行な方向に分極しているので、加速度検
出素子の平面上への焦電気の発生を抑制でき、加速度検
出素子の平面上に設けられている電極へ焦電効果の影響
を大幅に削減することができる。これは、通常、焦電気
は素子内の分極方向先端にある表面に起きるからであ
る。つまり、本願の加速度検出素子においては、焦電気
は側面上に発生する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る加速度センサの第１実施例の断面
立面図である。

【図２】図１に示された加速度センサの変換器部の等価
的結線図である。

【図３】図１に示された加速度センサの変換器部の上面
図である。

【図４】本発明に係る加速度センサの変換器部の第２実
施例の等価的結線図である。

【図５】本発明に係る加速度センサの変換器部の第３実
施例の等価的結線図である。

【図６】従来の加速度センサの断面立面図である。

【図７】従来の加速度センサの変換器部の等価的結線図
である。

【図８】一般的な加速度センサの周波数特性を説明する
ための図である。

【符号の説明】

１１支持プレート１１ａ支持部１３、１７プリント基板１５電気部品１８ケース１９外部発振器３１加速度センサ３３、６３圧電素子（加速度検出素子）３５ａ、３５ｂ、６５ａ、６５ｂ電極３７金属振動板４０、５０、６０振動変換器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電素子材からなり、所定の厚さと、２
つの平面と、を有するシート状の少なくとも１枚の加速
度検出素子と、前記加速度検出素子の一方の平面上に部分的に延在する
ように形成された電極と、所定の厚さと、実質的に水平な２つの平面と、を有し、
この平面の少なくとも１方の面上に前記加速度検出素子
の他方の平面を接着剤により接着した導電性部材からな
る振動板と、この振動板を振動可能に支持する支持部と、を備えた加
速度センサにおいて、前記加速度検出素子が、前記一方の平面に実質的に平行
な方向に分極していることを特徴とする加速度センサ。
【請求項２】前記加速度検出素子を２枚、前記振動板
両面に、分極方向が同一方向となるように前記接着剤に
よりそれぞれ接着し、前記２枚の加速度検出素子が互いに前記電極を介して電
気的に並列に接続されることを特徴とする請求項１に記
載の加速度センサ。
【請求項３】前記加速度検出素子を２枚、前記振動板
両面に、分極方向が逆方向となるように前記接着剤によ
りそれぞれ接着し、前記２枚の加速度検出素子が互いに前記電極を介して電
気的に直列に接続されることを特徴とする請求項１に記
載の加速度センサ。
【請求項４】前記加速度検出素子が、中心孔を有する
円盤型であり、前記支持部が、前記振動板の中心部で前記振動板を支持
し、前記加速度検出素子が、中心から外周方向または外周か
ら中心方向に分極していることを特徴とする請求項１乃
至３に記載の加速度センサ。
【請求項５】前記電極が、前記加速度検出素子と同心
円で、かつ前記加速度検出素子の平面と実質的に平行な
２つの平面を有するリング状であることを特徴とする請
求項４に記載の加速度センサ。
【請求項６】前記加速度検出素子が、２つの前記電極
を備えたことを特徴とする請求項１乃至５に記載の加速
度センサ。