JP2001074766A - 加速度センサ - Google Patents

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】 所定の厚さと、実質的に水平な２つの平
面３７ａおよび３７ｂを有する導電性部材からなる振動
板３７と、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２枚の圧電素子
３３を、振動板３７の一方の平面３７ａ上に接着剤で接
着して積層した圧電素子層３４と、圧電素子層３４の最
上面上に部分的に延在するように形成された電極３５ｂ
と、振動板３７を実質的に鉛直な振動方向に振動可能に
支持する支持部１１ａと、を備えるとともに、圧電素子
層３４の各圧電素子３３が、圧電素子３３に形成された
電極３５ｂの平面に実質的に直交する方向に分極すると
ともに、圧電素子層３４内の互いに隣接する圧電素子３
３の分極方向が対向するように構成する。

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、車輌等に用いられ、車輌に受けた振動を電気
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５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はセラミック等からなり、図
６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６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、必要に応じて外部発振器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。これは、後述する自己診断機能用の電極である。
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７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
の分極方向により電極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、複数枚の圧電素子３が必要となり、かつ振動
板７の両面に圧電素子３が接着されている。特に、振動
板７の裏側への圧電素子３の接着および結線作業は煩雑
である。このように構造が複雑となるため、コストが高
くなるといった問題点があった。

【００１１】さらに、各電極５ａおよび５ｂへの結線が
振動板７の両面において必要となるため、結線数が増加
してしまい、製造工程が複雑となり、これによってもコ
スト高が生じてしまうといった問題点があった。

【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、導電性部材からなる振
動板と、シート状の少なくとも２枚の圧電素子を、この
振動板の一方の平面上に接着剤で接着して積層した加速
度検出層と、この加速度検出層の最上面上に部分的に延
在するように形成された電極と、前記振動板を実質的に
鉛直な振動方向に振動可能に支持する支持部と、を備え
るとともに、前記加速度検出層の各前記圧電素子が、前
記圧電素子に形成された電極の平面に実質的に直交する
方向に分極するとともに、前記加速度検出層内の互いに
隣接する圧電素子の分極方向が対向するように配置さ
れ、前記加速度検出層の互いに隣接する圧電素子が、互
いに電気的に直列に接続されることを特徴とする。

【００１４】この構成によれば、少なくとも２枚の圧電
素子を振動板の一方の平面にのみ接着剤等で接着して積
層させて加速度センサを簡単に構成することができる。
さらに、圧電素子に形成された電極への結線も少なく、
さらに振動板の他方の平面、すなわち裏面への配線の必
要がないので、加速度センサの製造工程を大幅に簡略化
することができ、コストを削減できる。また、加速度検
出層内の各圧電素子３３毎に分極方向を対向するように
構成し、互いに電気的に直列に接続しているので、加速
度検出層内の分極の影響が相殺され、焦電電圧の発生を
抑制することができる。

【００１５】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。

【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、
前記加速度検出層が、前記各圧電素子の平面に平行で、
かつ前記加速度検出層内の前記振動方向の略中間に位置
する仮想中間面を有し、前記加速度検出層を積層した振
動板の振動の機械的中立面が、前記加速度検出層の前記
仮想中間面と、前記振動板の一方の平面との間になるよ
うに、前記振動板および前記各圧電素子が、所定の機械
的寸法および定数を有することを特徴とする。

【００１７】この構成によれば、各圧電素子および振動
板の機械的寸法および定数、例えば板厚などを適切に選
定することにより、振動の機械的中立面の位置を好適な
値に調節することができる。特に、加速度検出層を積層
した振動板の振動の機械的中立面が、加速度検出層の仮
想中間面と、振動板の一方の平面との間になるようにす
ることにより、効率の良い出力を得ることが可能とな
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または２の何れかに記載の加速度
センサにおいて、前記圧電素子が、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
動板を支持することを特徴とする。

【００１９】この構成によれば、振動板のバランスをと
り安く、振動を均一にすることができるので、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。

【００２０】請求項４に記載の発明は、上記課題を解決
するために、請求項３に記載の加速度センサにおいて、
前記電極が、前記圧電素子と同心円で、かつ前記圧電素
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。この構成によれば、振動によって生じ
た電位を確実に検出することが可能であり、簡単な構成
で、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。

【００２１】請求項５に記載の発明は、上記課題を解決
するために、請求項１乃至４の何れかに記載の加速度セ
ンサにおいて、前記圧電素子が、２つの前記電極を備え
てもよい。この構成によれば、２つの電極のうち、一方
の電極を外部発振器などに接続させ、所定の電圧を印加
することにより、振動板を振動させ、この振動に応じて
生じた電位を他方の電極から取り出すことにより、加速
度センサの自己診断機能を実現することができる。これ
により、簡単な構成で信頼性の高い加速度センサが得ら
れる。

【００２２】

【発明の実施の形態】本発明に係る加速度センサは、導
電性部材からなる振動板と、シート状の少なくとも２枚
の圧電素子を、この振動板の一方の平面上に接着剤で接
着して積層した加速度検出層と、この加速度検出層の最
上面上に部分的に延在するように形成された電極と、前
記振動板を実質的に鉛直な振動方向に振動可能に支持す
る支持部と、を備えている。

【００２３】この加速度センサにおいて、前記加速度検
出層の各前記圧電素子が、前記圧電素子に形成された電
極の平面に実質的に直交する方向に分極するとともに、
前記加速度検出層内の互いに隣接する圧電素子の分極方
向が対向するように配置され、前記加速度検出層の互い
に隣接する圧電素子が、互いに電気的に直列に接続され
る。

【００２４】このように構成された加速度センサによれ
ば、少なくとも２枚の圧電素子を振動板の一方の平面に
のみ接着剤等で接着して積層させて加速度センサを簡単
に構成することができる。さらに、圧電素子に形成され
た電極への結線も少なく、さらに振動板の他方の平面、
すなわち裏面への配線の必要がないので、加速度センサ
の製造工程を大幅に簡略化することができ、コストを削
減できる。

【００２５】また、本発明に係る加速度センサは、各圧
電素子および振動板の機械的寸法および定数、例えば板
厚などを適切に選定することにより、振動の機械的中立
面の位置を好適な値に調節することができる。特に、加
速度検出層を積層した振動板の振動の機械的中立面が、
加速度検出層の仮想中間面と、振動板の一方の平面との
間になるようにすることにより、効率の良い出力を得る
ことが可能となる。

【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】

【実施例】図１は、本発明に係る加速度センサの実施例
の断面立面図である。同図に示されるように、本実施例
の加速度センサ３１は、振動変換器４０と、図５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２枚備えている。各圧電素子３３は、ＬｉＮｂ
Ｏ₃、ＬｉＴａＯ₃等の単結晶圧電素子材を用いて構成し
ても良い。各圧電素子３３は、所定の厚さと、２つの平
面を有する円盤形状であり、さらにその中心部に中心孔
３３ａが形成されている。

【００３０】さらに、振動変換器４０は、金属などの導
電性部材からなる金属振動板３７を備えている。振動板
３７は、所定の厚さと、実質的に水平な２つの平面３７
ａおよび３７ｂと、を有する円盤形状である。振動板３
７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。本実施例では、振動板３７の
中央部で支持部１１ａにより振動板３７を実質的に鉛直
な振動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】２枚の圧電素子３３が、互いに導電性接着
剤等により接着されて、振動板３７の一方の平面３７ａ
上に積層され圧電素子層３４を形成している。本実施例
では導電性接着剤を使用しているが、非導電性のもので
あっても良い。圧電素子層３４の最上面３４ａ上に、部
分的に延在するように電極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、電極３５ａおよび３５ｂは、圧電素子層
３４と同心円で、かつ圧電素子層の最上面３４ａ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。

【００３２】本実施例において、圧電素子層３４内の各
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３７の平面に実質的に垂直な方向
で、かつ互いに対向する方向に分極するとともに、各電
極３５ａと３５ｂおよび金属振動板３７を介して互いに
電気的に直列に接続されている。他の実施例において、
分極方向は、図４の矢印Ｄ５およびＤ６で示されるよう
な方向であっても良い。このように分極方向を圧電素子
層３４内の各圧電素子３３毎に対向するように構成し、
互いに電気的に直列に接続しているので、圧電素子層３
４内の分極の影響が相殺され、焦電電圧の発生を抑制す
ることができる。

【００３３】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を積
層する振動板３７のバランスがとり易く、振動を均一に
することができるので好ましい。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。

【００３４】他の実施例において、各圧電素子３３は、
その両方の平面上に、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。

【００３５】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。

【００３６】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。このようにして加速度セ
ンサ３１は、振動板３７の振動に応じて電極３５ｂを介
して電気信号として取り出して加速度を検出する。

【００３７】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、各圧電素子３３およ
び振動板３７の機械的定数、例えば板厚などを適切に選
定することにより、図２に点線５１で示される振動の機
械的中立面の位置を調節することができる。これによ
り、効率の良い出力を得ることが可能となる。

【００３８】例えば、振動の機械的中立面５１の位置
が、振動板３７の平面３７ａよりも振動板３７側の場
合、圧電素子層３４内の各圧電素子３３の出力は略同レ
ベルで、かつ逆相となり、相殺されてしまい極めて小さ
くなることが予想できる。

【００３９】一方、図２に示されるように、振動の機械
的中立面５１の位置が、各圧電素子３３の平面に平行
で、かつ圧電素子層３４内の振動方向の略中間に位置す
る仮想中間面５３と、振動板３７の平面３７ａとの間に
位置する場合、圧電素子層３４内の各圧電素子３３の出
力は互いに同相の部分と逆相の部分ができるため、圧電
素子層３４から出力を得ることが可能となる。このよう
に、振動の機械的中立面５１の位置に応じて、圧電素子
層３３からの出力は変化する。

【００４０】特に、この中立面５１を仮想中間面５３の
近傍に設定するように、各圧電素子３３および振動板３
７の機械的寸法および定数、例えば板厚などを適切に選
定するのが好ましい。

【００４１】実験によれば、例えば中立面５１を振動板
３７の一方の平面３７ａから圧電素子層３４の最上面３
４ａに向かって約１０％の位置に設定した場合でさえ、
得られる出力のロスは約−１２ｄＢに抑えることができ
る。

【００４２】このように、振動板３７の機械的中立面５
１が、振動板３７の一方の平面３７ａと仮想中間面５３
との間になるように各圧電素子３３および振動板３７の
機械的寸法および定数、例えば板厚などを調節すること
により、各電極３５ａおよび３５ｂから出力を取り出す
ことが可能となり、高性能な加速度センサを得ることが
できる。

【００４３】本実施例において、圧電素子層３４は、２
枚の圧電素子３３から構成されるが、他の実施例におい
て、圧電素子層は、複数枚の圧電素子３３を振動板３７
の一方の平面３７ａ上に積層した構造であっても良い。
この場合、隣接する各圧電素子３３の分極方向が互いに
対向するように各圧電素子３３を配置するとともに、互
いに電気的に直列に接続する。尚、圧電素子の枚数は、
偶数枚が望ましい。さらに、振動板の振動の機械的中立
面が、圧電素子層の仮想中間面と、振動板の一方の平面
との間に位置するように、振動板および圧電素子層内の
各圧電素子の機械的寸法および定数を選定する。

【００４４】本実施例の加速度センサの振動変換器４０
によれば、２枚の圧電素子３３を振動板３７の一方の平
面３７ａにのみ積層させて簡単に構成することができ、
さらに、圧電素子３３に形成された電極３５ａおよび３
５ｂへの結線も少なく、さらに振動板３７の他方の平面
３７ｂ、すなわち裏面への配線の必要がないので、加速
度センサの製造工程を大幅に簡略化することができ、コ
ストを削減できる。

【００４５】

【発明の効果】本発明によれば、導電性部材からなる振
動板と、シート状の少なくとも２枚の圧電素子を、振動
板の一方の平面上に接着剤で接着して積層した圧電素子
層と、圧電素子層の最上面上に部分的に延在するように
形成された電極と、振動板を実質的に鉛直な振動方向に
振動可能に支持する支持部と、を備えるとともに、圧電
素子層の各圧電素子が、圧電素子に形成された電極の平
面に実質的に直交する方向に分極するとともに、圧電素
子層内の互いに隣接する圧電素子の分極方向が対向する
ように配置され、圧電素子層の互いに隣接する圧電素子
が、互いに電気的に直列に接続されるので、少なくとも
２枚の圧電素子を振動板の一方の平面にのみ接着剤等で
接着して積層させて加速度センサを簡単に構成すること
ができる。さらに、圧電素子に形成された電極への結線
も少なく、さらに振動板の他方の平面、すなわち裏面へ
の配線の必要がないので、加速度センサの製造工程を大
幅に簡略化することができ、コストを削減できる。

【００４６】このように、焦電効果等の悪影響が少なく
安定しており、かつ製造工程における結線も少なく構成
できるので、比較的構成が簡単であり、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。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る加速度センサの実施例の断面立面
図である。

【図２】図１に示された加速度センサの振動変換器の等
価的結線図である。

【図３】図１に示された加速度センサの振動変換器の上
面図である。

【図４】本発明に係る加速度センサの振動変換器の他の
実施例の等価的結線図である。

【図５】従来の加速度センサの断面立面図である。

【図６】従来の加速度センサの振動変換器の等価的結線
図である。

【図７】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 圧電素子 ３４ 圧電素子層（加速度検出層） ３５ａ、３５ｂ 電極 ３７ 金属振動板 ４０ 振動変換器 ５１ 機械的中立面 ５３ 仮想中間面

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 導電性部材からなる振動板と、 シート状の少なくとも２枚の圧電素子を、この振動板の
   一方の平面上に接着剤で接着して積層した加速度検出層
   と、 この加速度検出層の最上面上に部分的に延在するように
   形成された電極と、 前記振動板を実質的に鉛直な振動方向に振動可能に支持
   する支持部と、を備えるとともに、 前記加速度検出層の各前記圧電素子が、前記圧電素子に
   形成された電極の平面に実質的に直交する方向に分極す
   るとともに、前記加速度検出層内の互いに隣接する圧電
   素子の分極方向が対向するように配置され、 前記加速度検出層の互いに隣接する圧電素子が、互いに
   電気的に直列に接続されることを特徴とする加速度セン
   サ。
2. 【請求項２】 前記加速度検出層が、前記各圧電素子の
   平面に平行で、かつ前記加速度検出層内の前記振動方向
   の略中間に位置する仮想中間面を有し、 前記加速度検出層を積層した振動板の振動の機械的中立
   面が、前記加速度検出層の前記仮想中間面と、前記振動
   板の一方の平面との間になるように、前記振動板および
   前記各圧電素子が、所定の機械的寸法および定数を有す
   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
   することを特徴とする請求項１または２の何れかに記載
   の加速度センサ。
4. 【請求項４】 前記電極が、前記圧電素子と同心円で、
   かつ前記圧電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３に記載
   の加速度センサ。
5. 【請求項５】 前記圧電素子が、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４の何れかに記載の加
   速度センサ。