JP2001099858A

JP2001099858A - 加速度センサおよびその製造方法

Info

Publication number: JP2001099858A
Application number: JP27896799A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Baba; 啓之馬場; Hideki Matsumoto; 英樹松本; Noriyuki Murata; 紀行村田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-09-30
Filing date: 1999-09-30
Publication date: 2001-04-13

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、比較的簡単な方法で感度・共振周
波数等の特性のバラツキ幅を狭くして、低価格で高性能
な加速度センサの提供を可能にする。【解決手段】振動板３に圧電素子１を固定した後に、
振動板３の一端部１１を切り欠いて共振周波数ｆ０のト
リミング調整を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、振動を電気信号に
変換して加速度を検出する加速度センサの製造方法に関
し、特に車載用等に用いられてノッキング制御・エアバ
ッグ制御等を行うための非共振タイプの加速度センサ
を、バラツキを少なくして低価格かつ高性能に製造する
ことのできるものに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、実用化されている加速度セン
サとしては、加えられた加速度を電磁型、圧電型、半導
体型等の種々の方式により検出するものが知られてお
り、そのうちの圧電型にあっては、圧電素子に加えられ
る応力で生じる電圧によって加速度を検出する。

【０００３】この種の圧電型の加速度センサとしては、
例えば、図７および図８に示すようなものがあり、この
加速度センサは、ドーナツ形状に形成して片面に電極１
ａを形成した圧電素子１により構成されており、圧電素
子１は、ケース基部２に立設した支柱２ａに溶接等する
ことにより電気的に接合支持させた円盤形状の金属振動
板３の片面（または両面でもよい）に、接着剤等により
電極１ａの反対側を電気的に接合固定されている。

【０００４】この圧電素子１は、エンジンなどの測定対
象物に固定するためのネジ部２ｂをケース基部２が有し
て金属振動体３と共にアースとなる一方、電極１ａとワ
イヤボンディングにより電気的に接続されたピン５がケ
ースカバー６のコネクタ部６ａ内で外部に臨んで出力端
子とされている。なお、ケースカバー６は、ケース基部
２内に挿入して端部２ｃをかしめることにより固定され
ており、ケース基部２との間の端面間にＯリング７を挟
むことにより信頼性高く防水構造に固定されている。

【０００５】この加速度センサは、加えられた振動で振
動板３と共に圧電素子１が振動することによって、ケー
ス基部（アース）２とピン（出力端子）５との間に電圧
が発生するので、その電圧を出力として取り出して加速
度（外部振動）を検出するようになっており、一定加速
度に対しては、図９に示すように、共振点ｆ０付近では
高いＱを得られる一方、中・低周波数領域では平坦とな
る周波数特性であるので、使用目的に応じて平坦部また
は共振点ｆ０近傍の振動出力を使用する。

【０００６】なお、図７に示す構造の加速度センサ以外
にも、円形に形成した圧電素子の周縁部をクランプする
タイプ、棒状の振動体に形成した圧電素子を片持ちに固
定するタイプ等の種々の方式があり、また、インピーダ
ンス変換回路・アンプ回路等を内部に内蔵するタイプも
ある。さらに、例えば、圧電素子１の電極１ａを径の異
なるリング状に分割し、検出用と自己診断用（駆動用）
として使用し自己診断機能を有するタイプもある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の加速度センサにあっては、圧電素子１と振動
板３を一体にして振動体とするので、高精度に安定し
て作製するのが困難であり、寸法等のバラツキが感度等
の特性のバラツキの要因になるとともに、不良率を低減
させることを難しくし、特に共振点近傍で使用する共
振タイプではｆ０のバラツキ幅が重要であることから寸
法精度の高い部品およびその組立が必要となってコスト
高になる一方、非共振タイプとして平坦部で使用する場
合には共振点ｆ０を高く設定するため感度が低くなって
しまう、という問題があった。

【０００８】そこで、本発明は、上記問題を解決するた
めに、比較的簡単な方法により感度・共振周波数等の特
性のバラツキ幅を狭くすることを可能にし、低価格で高
性能な加速度センサを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する発明
は、振動板に圧電素子を固定して、該圧電素子の電極の
間に生じる圧電により加速度を検出する加速度センサお
よびこの加速度センサの製造方法であって、前記振動板
に前記圧電素子を固定した後に、前記振動板または前記
圧電素子の一方あるいは双方の振動部材の大きさを小さ
くして特性の調整を行うことを特徴としている。例え
ば、該振動部材の縁の１個所または２個所以上を切り欠
くことにより、また、該振動部材の１個所または２個所
以上に貫通孔あるいは窪みを形成することにより、当該
部分の大きさを小さくして、周波数特性のトリミング調
整を行ったり、該振動部材である前記圧電素子の表面電
極の一部を除くことにより、当該表面電極部分の大きさ
を小さくして、出力特性のトリミング調整を行うことを
特徴としている。この振動部材は、大きさを簡易にかつ
精度良く小さくするために、多角形に作製して、その角
部の１個所または２個所以上を容易に落として、特性の
調整をしやすい形状にしてもよい。

【００１０】この発明では、振動板や圧電素子の振動部
材が、１個所または２個所以上で、縁を切り欠かれた
り、貫通孔や窪みが形成されるなどして小さくされるこ
とにより、振動体としてのバランスが調整されて、周波
数特性がトリミング調整されたり、表面電極が一部を剥
離・分割などされて除かれて小さくされることにより、
容量特性が調整されて、出力特性がトリミング調整され
る。したがって、当初からの寸法精度を緩和しつつ容易
に特性を高精度に調整することができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図面に基づいて説
明する。図１および図２は本発明に係る加速度センサお
よびその製造方法の第１実施形態を示す図であり、当該
製造方法により作製した加速度センサを示す図である。
なお、本実施形態により作製する加速度センサは、以下
で説明する他の実施形態も含めて、上述した従来技術と
同様な構成を有することから、図７から図９を流用して
同様な構成には同一の符号を付して説明する。

【００１２】図７および図８において、加速度センサ
は、単結晶またはセラミックスなどの圧電材料をドーナ
ツ形状に形成して製膜した電極１ａに電圧を印加して分
極させた圧電素子１を、ケース基部２の支柱２ａに溶接
等した振動板３の片面（または両面）に接着剤等により
電気的に接合固定した後に、ケースカバー６をケース基
部２に固定して圧電素子１を防水構造内に収納するとと
もに、そのコネクタ部６ａ内のピン５と電極１ａとをワ
イヤ４のワイヤボンディングにより電気的に接続して製
造する。

【００１３】この加速度センサは、従来技術では、各種
構成部品の寸法精度を高精度にして高性能な加速度セン
サを作製していたが、本実施形態では、振動板３の片面
に圧電素子１を固定した後に、ケース基部２をアースに
して圧電素子１に生じる圧電を出力可能に電極１ａにワ
イヤ４をワイヤーボンディングにより接合して、圧電素
子１の電極１ａとアースとの間に生じる電圧をモニタし
つつネジ部２ｂにより固定したケース基部２を加振し、
そのモニタ結果に応じて、図１または図２に示すよう
に、振動板（振動部材）３の外周の円周縁の一端または
複数端を僅かに削り落とす（切り欠く）ことにより、共
振周波数ｆ０のトリミング調整を行って、この後に、ケ
ースカバー６をケース基部２に固定して防水構造とす
る。

【００１４】この共振周波数ｆ０は、中心固定の円形振
動板３の場合、一般的には次の計算式で表される。ｆ０＝α・ｔ／Ｒ²・（Ｅ／ρ（１−σ²））^1/2 α:０．１７２（定数）ｔ:板厚Ｒ:半径Ｅ:ヤング率 ρ:密度 σ:ポアソン比例えば、図１に示す振動板３の板厚ｔが０．４ｍｍ、半
径Ｒが７ｍｍとすると、共振周波数はｆ０＝７．４１
（ｋＨｚ）となる。なお、実際には、圧電素子１が振動
板３に固定されるため、共振周波数ｆ０は圧電素子１を
含む振動部材全体（振動体）で決まって多少値が違って
くる。

【００１５】このように上記式からすると、所望の共振
周波数ｆ０とするには、振動板３の板厚ｔと半径Ｒの寸
法精度を高めるのが一般的であるが、機械的な寸法公差
等から、そのバラツキ幅を小さくするには限界があり、
また、コスト高を招く要因にもなる。このため、上記式
から、共振周波数ｆ０の値を変化させるには半径Ｒを変
化させることが有効であることを利用して、図１に示す
ように、例えば、機械的あるいはレーザ等による光学的
に削ったり切断するなどして、振動板３の外周縁の一端
部１１を僅かに切り欠いて、振動体としてのバランスを
調整し、共振周波数ｆ０のトリミング調整をする。

【００１６】実験的に確認した結果、同板厚の場合に
は、共振周波数ｆ０は、振動板３の外径を変化させると
約１〜２％／０．１ｍｍ程度で変化させることができる
のに対して、振動板３の一端部１１を幅０．５ｍｍ程度
カットしたところ、共振周波数ｆ０は、約＋２％程度ア
ップさせることができ、振動板３の外周縁の一部を僅か
にトリミングすることにより、全周を削り落として外径
を０．１ｍｍ小さくしたのと同等のトリミング調整を行
うことができた。

【００１７】したがって、振動板３の寸法精度を緩和し
て直径を大きめに設計しておき、その振動板３の外周縁
の一端部１１を僅かに切り欠くように削り落とすのみ
で、共振周波数ｆ０をアップさせる調整のトリミングを
行うことができ、この一端部１１の切欠幅ｗを調整する
ことにより共振周波数ｆ０を高精度に調整することがで
きる。この共振周波数ｆ０をトリミング調整するための
振動板３の外周縁の切欠個所は、一箇所に限らず、振動
板３のバランス等を考慮して、例えば、図２に示すよう
に、一端部１１と直交する方向の一端部１２を切り欠い
ても良く、このように切欠個所を複数箇所にすることに
より、調整範囲を大きくすることができ、その調整を微
調化することもできる。なお、振動板３の一端部１１、
１２をそれぞれ幅０．２ｍｍ程度カットしたところ、共
振周波数ｆ０は、約＋１％程度アップさせることができ
た。ただし、当然のことながら、更に複数個所を切り欠
いてトリミング調整しても同様な結果が得られるが、生
産上は効率が悪くなるのであまり好ましいことではな
い。

【００１８】なお、一端部１１、１２では、直線的にト
リミングしているが、その形状を別段限定するものでは
なく、例えば、小さな円弧状等にトリミングしてもよ
く、同様の作用効果を得ることができるのは言うまでも
ない。

【００１９】このように本実施形態においては、振動体
としてのバランスを容易に調整して、共振周波数ｆ０な
どの周波数特性のバラツキを小さくするトリミング調整
を容易に行うことができ、安価に作製可能な寸法精度の
部品でも、組立工程の途中にトリミング工程を入れるこ
とにより、加速度センサとしての特性のバラツキ幅を容
易に狭くすることができる。したがって、高性能な加速
度センサを低コストに作製することができる。

【００２０】また、本実施形態の他の態様としては、図
３に示すように、振動板３を六角形などの多角形に形成
して、その頂角部１３を削り落とすだけで、振動板３の
外周縁の一部を容易に僅かに切り欠くことができるよう
にして、更に容易にトリミング調整を行うことができる
ようにしても良い。なお、この振動板３の多角形化は、
六角形に限らず、三角形や四角形、また七角形以上であ
ってもよく、以下で説明する実施形態に適用してもよい
ことはいうまでもない。

【００２１】次に、図４および図５は本発明に係る加速
度センサおよびその製造方法の第２実施形態を示す図で
あり、当該製造方法により作製した加速度センサを示す
図である。

【００２２】図４において、加速度センサは、振動板３
の片面に圧電素子１を固定した後に、ケース基部２をア
ースにして圧電素子１に生じる圧電を出力可能にワイヤ
４をワイヤーボンディングにより電極１ａに接合して、
圧電素子１の電極１ａとアースとの間に生じる電圧をモ
ニタしつつネジ部２ｂにより固定したケース基部２を加
振し、そのモニタ結果に応じて、振動板３の外周付近を
穿孔して貫通孔２１を形成することにより、共振周波数
ｆ０のトリミング調整を行って、この後に、ケースカバ
ー６をケース基部２に固定して防水構造とする。

【００２３】この振動板３に貫通孔２１を形成すると、
実験的に確認した結果、共振周波数ｆ０は、φ１ｍｍ程
度で約−０．５〜−１％程度ダウンさせることができ、
上述した実施形態のように一端部１１をカットするのと
比較すると、その変化幅は小さいが、この貫通孔２１は
複数個を容易に穿孔して、共振周波数ｆ０のトリミング
調整を行うことができる。

【００２４】また、この振動板３には、貫通孔２１に限
らず、図５に示すように、貫通するまでには至っていな
い凹穴（窪み）２２を形成することにより、共振周波数
ｆ０のトリミング調整を行うようにしてもよく、この凹
穴２２では、貫通孔２１よりも微調整をすることがで
き、これら貫通孔２１と凹穴２２は、上述した実施形態
における一端部を含めて、いずれか一つに限定するので
はなく、必要に応じて組み合わせるのが効果的である。

【００２５】このことから、振動板３に貫通孔２１や凹
穴２２を形成するトリミングを一箇所または２箇所以上
で行うことにより、共振周波数ｆ０をダウンさせる調整
をすることができ、有効な調整方法の一つである。

【００２６】ただし、振動板３の外周縁をカットするこ
とによる共振周波数ｆ０をアップするトリミング調整の
ほうが効率的であることから、振動板３の直径を大きめ
に設計して、その振動板３の外周縁の一端部を削り落と
し共振周波数ｆ０をアップさせる上述実施形態をベース
に、この後に、貫通孔２１や凹穴２２を形成して、共振
周波数ｆ０をダウンさせる微調整のトリミング調整を行
うのが効果的である。

【００２７】このように本実施形態においては、上述実
施形態と同様な作用効果を得ることができ、また、上述
実施形態と組み合わせることにより、より精度の高いト
リミング調整を容易に行うことができ、共振周波数ｆ０
などの周波数特性のバラツキをより小さくすることがで
きる。したがって、より高性能な加速度センサを低コス
トに作製することができる。

【００２８】なお、上述する実施形態においては、振動
板３のみを部分的に小さくする場合を説明するが、圧電
素子１自体も振動体を構成する振動部材なので、圧電素
子１の一部を切欠・穿孔などしてもよく、後述する実施
形態と合わせて、表面電極1ａと共に切欠、穿孔などし
てもよいことはいうまでもない。

【００２９】次に、図６は本発明に係る加速度センサお
よびその製造方法の第３実施形態を示す図であり、当該
製造方法により作製した加速度センサを示す図である。

【００３０】図６において、加速度センサは、振動板３
の片面に圧電素子１を固定した後に、ケース基部２をア
ースにして圧電素子１に生じる圧電を出力可能にワイヤ
ーボンディングによりワイヤ４を電極１ａに接合して、
圧電素子１の電極１ａとアースとの間に生じる電圧をモ
ニタしつつネジ部２ｂにより固定したケース基部２を加
振し、そのモニタ結果に応じて、圧電素子１の表面電極
１ａの僅かな部分を剥離または分離させて、表面電極１
ａの一部を取り除いて、電極として機能する大きさを小
さくすることにより、出力特性のトリミング調整を行っ
て、この後に、ケースカバー６をケース基部２に固定し
て防水構造とする。

【００３１】この加速度センサは、加えられた加速度に
より振動板３の外周付近が最大の振幅位置になるのに対
して、中心付近はその振動の支点となって機械的歪みが
最大となる。このため、圧電素子１の電荷Ｑの発生は特
に中央付近に大きく分布し、圧電素子１全体の容量Ｃと
の関係から、その出力電圧Ｖは、次式で決定されること
になるので、この電荷Ｑ、容量Ｃをコントロールするこ
とによって、出力電圧Ｖ等の特性を調整することができ
る。

【００３２】Ｖ＝Ｑ／Ｃしたがって、圧電素子１の表面電極１ａにレーザ等を照
射してスリット１ｂを形成したり、ラバーカッティング
などによりスリット１ｂを形成するトリミングを行っ
て、表面電極１ａの面積（大きさ）を小さくすることに
より、電荷Ｑの変化は小さいが容量Ｃの値を多少小さく
することができ、このトリミング調整により、僅かでは
あるが出力電圧Ｖを大きくすることができる。このよう
なスリット１ｂの形成位置としては表面電極１ａのいず
れの領域をトリミングしても良いが、圧電素子１の大き
な歪が加わる中央付近の表面電極１ａをカットまたは剥
離したときには、逆に出力電圧Ｖを小さくすることもで
きる。

【００３３】このように本実施形態においては、圧電素
子１の表面電極１ａにスリット１ｂを形成するだけで、
容易なトリミング調整により容量特性を調整して出力
（感度）レベル等の出力特性を容易に調整することがで
き、安価に作製可能な寸法精度の部品でも、組立工程の
途中にトリミング工程を入れることにより、加速度セン
サとしての特性のバラツキ幅を容易に狭くすることがで
きる。したがって、高性能な加速度センサを低コストに
作製することができる。

【００３４】なお、本実施形態と、上述した実施形態と
を併用して、出力特性と共に共振周波数ｆ０のトリミン
グ調整を行うこともできることはいうまでもない。

【００３５】また、上述した実施形態では、共振タイプ
の加速度センサに関して説明しているが、非共振タイプ
の加速度センサ等における平坦部の感度調整に適用して
もよいことはいうまでもない。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、振動板や圧電素子の１
個所または２個所以上の各部で大きさを小さくする調整
を施すことにより、振動体としてのバランスを容易に調
整することができ、また、圧電素子の表面電極の１個所
または２個所以上で大きさを小さくする調整を施すこと
により、容量特性を容易に調整することができ、周波数
特性のトリミングや出力特性のトリミングなどを容易に
行って特性を容易に調整することができる。したがっ
て、安価に作製可能な寸法精度の部材を用いても、感度
・共振周波数等の特性のバラツキ幅を容易に狭くするこ
とができ、低価格で高性能な加速度センサを提供するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る加速度センサの製造方法の第１実
施形態により作製した加速度センサを示す図であり、
（ａ）はその要部の平面図、（ｂ）はその要部の立面図
である。

【図２】その調整を説明するその要部の平面図である。

【図３】その他の態様を説明するその要部の平面図であ
る。

【図４】本発明に係る加速度センサの製造方法の第２実
施形態により作製した加速度センサを示す図であり、
（ａ）はその要部の平面図、（ｂ）はその要部の立面図
である。

【図５】その調整を説明する図であり、（ａ）はその要
部の平面図、（ｂ）はその要部の立面図である。

【図６】本発明に係る加速度センサの製造方法の第３実
施形態により作製した加速度センサを示す図であり、
（ａ）はその要部の平面図、（ｂ）はその要部の立面図
である。

【図７】その従来技術を説明する図であり、その全体構
成を示す縦断面図である。

【図８】その圧電素子の組立状態を示す斜視図である。

【図９】その特性を説明するグラフである。

【符号の説明】

１圧電素子（振動部材）１ａ表面電極１ｂスリット２ケース基部２ａ支柱２ｂネジ部３振動板（振動部材）５ピン６ケースカバー６ａコネクタ部１１、１２一端部（縁）１３頂角部２１貫通孔２２凹穴（窪み）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】振動板に圧電素子を固定して、該圧電素
子の電極の間に生じる圧電により加速度を検出する加速
度センサの製造方法であって、前記振動板に前記圧電素子を固定した後に、前記振動板
または前記圧電素子の一方あるいは双方の大きさを小さ
くして特性の調整を行うことを特徴とする加速度センサ
の製造方法。
【請求項２】前記振動板に前記圧電素子を固定した後
の周波数特性のトリミング調整において、前記振動板ま
たは前記圧電素子の一方あるいは双方の縁を切り欠くこ
とを特徴とする請求項１に記載の加速度センサの製造方
法。
【請求項３】前記振動板に前記圧電素子を固定した後
の周波数特性のトリミング調整において、前記振動板ま
たは前記圧電素子の一方あるいは双方に貫通孔あるいは
窪みを形成することを特徴とする請求項１に記載の加速
度センサの製造方法。
【請求項４】前記振動板に前記圧電素子を固定した後
の出力特性のトリミング調整において、前記圧電素子の
前記電極の一部を除くことを特徴とする請求項１に記載
の加速度センサの製造方法。
【請求項５】前記振動板または前記圧電素子の一方あ
るいは双方を多角形に作製して、その角部の１個所また
は２個所以上を落とすことにより、特性の調整を行うこ
とを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の加速
度センサの製造方法。
【請求項６】上記請求項１から５のいずれかに記載の
製造方法により作製したことを特徴とする加速度セン
サ。