JP2001337101A - Acceleration sensor - Google Patents

Acceleration sensor

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JP2001337101A
JP2001337101A JP2000159445A JP2000159445A JP2001337101A JP 2001337101 A JP2001337101 A JP 2001337101A JP 2000159445 A JP2000159445 A JP 2000159445A JP 2000159445 A JP2000159445 A JP 2000159445A JP 2001337101 A JP2001337101 A JP 2001337101A
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JP
Japan
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piezoelectric element
case
vibration
acceleration sensor
side case
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Application number
JP2000159445A
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Japanese (ja)
Inventor
Hiroyuki Baba
啓之 馬場
Noriyuki Murata
紀行 村田
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a low-cost, high-performance acceleration sensor which is very effective, particularly when using frequencies near a resonant frequency fo, by achieving reduction in spurious radiation resulting from antiresonance dips by a simple structure. SOLUTION: This acceleration sensor 10 detects accelerations applied by voltages produced in a piezoelectric element 13 according to the vibration of a vibrating plate 12, by welding to a column 11a of a fixed case 11 in the vibrating plate 12 having the piezoelectric element 13 affixed thereto, and then enclosing the vibrating plate in a vibration space V defined by both the fixed case and a connection case 16. Distances L1 and L2 between the opposite faces of vibration spaces V1 and V2 defined between the bottom faces of the fixed case 11 and the connection case 16 and the respective front and back faces of the vibrating plate 12 and the vibrating body 19 of the piezoelectric element 13 are each set, equal to or less than 0.1 times an inside diameter ϕA of each of the cases 11 and 16.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、加速度センサーに
関し、詳しくは、閉塞空間内で振動する振動板に圧電素
子を固設したものに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an acceleration sensor, and more particularly, to an acceleration sensor in which a piezoelectric element is fixed to a vibration plate that vibrates in a closed space.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より、実用化されている加速度セン
サーとしては、電磁型、圧電型、半導体型等の種々の方
式により加えられた加速度を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、圧電素子が屈撓する
ことによって加えられた加速度を検出するものがある。
このような加速度センサーは、特に車載用等に多用され
ており、ノッキング制御やエアバッグ制御などに必要な
加速度を検出する。
2. Description of the Related Art Conventionally, acceleration sensors that have been put into practical use are known that detect acceleration applied by various methods such as an electromagnetic type, a piezoelectric type, and a semiconductor type. Some of them detect acceleration applied by bending of a piezoelectric element.
Such an acceleration sensor is frequently used especially for a vehicle, and detects acceleration required for knocking control, airbag control, and the like.

【0003】この種の圧電型の加速度センサーとして
は、例えば、図9に示すようなものがある。この加速度
センサー100は、枠形状に形成した金属製の固定側ケ
ース101の底面中央に支柱101aを一体に立設し
て、図10に示すように、その支柱101aに円盤形状
に形成した金属製の振動板102を溶接して支持すると
ともに、この振動板102の上面にドーナツ形状に形成
した圧電素子103を同軸となるように接着することに
より構成されている。圧電素子103には、表裏の両面
に同軸となるように検出電極104が形成されており、
検出電極104の一方には振動板102が導通接触され
ているとともに、他方の検出電極104にはワイヤボン
デイング等による半田105aによって接続されたワイ
ヤ105を介して、外部のコネクタに接続する椀形状に
形成した樹脂製の接続側ケース106に設けられている
接続ピン107に接続されている。なお、固定側ケース
101と接続側ケース106とは、互いの開放端部10
1c、106cを嵌合してかしめることにより、画成す
る振動空間内に振動板102と圧電素子103を内装す
るとともに、開放端部101c、106cの間にOリン
グ108を挟み込んでその振動空間を防水構造に組み立
てている。
FIG. 9 shows an example of this type of piezoelectric acceleration sensor. In this acceleration sensor 100, a support 101a is erected integrally at the center of the bottom surface of a metal fixed side case 101 formed in a frame shape, and a metal disk formed on the support 101a as shown in FIG. The diaphragm 102 is welded and supported, and a piezoelectric element 103 formed in a donut shape is adhered to the upper surface of the diaphragm 102 so as to be coaxial. A detection electrode 104 is formed on the piezoelectric element 103 so as to be coaxial on both front and rear surfaces.
A vibration plate 102 is in conductive contact with one of the detection electrodes 104, and the other detection electrode 104 has a bowl-like shape connected to an external connector via a wire 105 connected by solder 105a such as wire bonding. It is connected to the connection pin 107 provided in the formed connection case 106 made of resin. Note that the fixed side case 101 and the connection side case 106 are
1c and 106c are fitted and caulked to house the vibration plate 102 and the piezoelectric element 103 in the vibration space to be defined, and the O-ring 108 is sandwiched between the open ends 101c and 106c to form the vibration space. Is assembled in a waterproof structure.

【0004】また、この種の圧電型の加速度センサーと
しては、図11に示すようなものもある。この加速度セ
ンサー110は、枠形状に形成した金属製の固定側ケー
ス111の開放端部111cに、円盤形状に形成した金
属ベース112を溶接するとともに、その上に外部コネ
クタに接続する接続ピン107を設けられている円盤形
状のコネクタ116を重ねてかしめることにより、振動
板102および圧電素子103を収装する振動空間を画
成するようになっており、この圧電素子103を固設さ
れた振動板102は、固定側ケース111に支柱を設け
ることなく、金属ベース112に立設した支柱112a
に支持させるようになっている。具体的には、振動板1
02および圧電素子103を双方共にドーナツ形状に形
成するとともに、コネクタ116の樹脂材料により絶縁
性を保持しつつ金属ベース112の支柱112a内に接
続ピン107を貫通させて、その接続ピン107と圧電
素子103の検出電極104に接続円盤115を半田1
15aにより固設することによって、振動可能に支持す
るようになっている。なお、この加速度センサー110
では、固定側ケース111の内周面と金属ベース112
の外周面との間にOリング118を挟み込むことにより
振動空間を防水構造に組み立てられており、振動板10
2や圧電素子103の振動を妨げないように、接続円盤
115の剛性は極力小さくするのが好ましいが、接続円
盤115に代えて、振動板102を支柱112aに溶接
すると共に検出電極104にはワイヤ105により電気
的に接続するようにすることもできる。
FIG. 11 shows a piezoelectric acceleration sensor of this type. This acceleration sensor 110 is configured such that a metal base 112 formed in a disc shape is welded to an open end portion 111c of a fixed metal case 111 formed in a frame shape, and a connection pin 107 connected to an external connector is formed thereon. A vibration space in which the vibration plate 102 and the piezoelectric element 103 are accommodated is defined by overlapping and caulking the provided disk-shaped connectors 116. The plate 102 has a support 112 a erected on the metal base 112 without providing a support on the fixed side case 111.
Is to be supported. Specifically, diaphragm 1
02 and the piezoelectric element 103 are both formed in a donut shape, and the connection pin 107 is penetrated into the support 112a of the metal base 112 while maintaining insulation by the resin material of the connector 116. The connection disk 115 is soldered to the detection electrode 104 of 103
By being fixedly provided by 15a, it supports so that vibration is possible. Note that this acceleration sensor 110
Now, the inner peripheral surface of the fixed side case 111 and the metal base 112
The vibration space is assembled in a waterproof structure by sandwiching an O-ring 118 between the diaphragm 10 and the outer peripheral surface of the diaphragm 10.
It is preferable that the rigidity of the connection disk 115 be as small as possible so as not to hinder the vibration of the piezoelectric element 103 or the piezoelectric element 103. However, instead of the connection disk 115, the diaphragm 102 is welded to the support 112 a and a wire is It is also possible to make the connection 105 electrically.

【0005】これら加速度センサー100、110は、
固定側ケース101、111の下面側に設けた雄ねじ1
01b、111bをねじ込んだエンジン等の検出対象の
振動を加えられたときに、振動板102の振動に応じて
圧電素子103に生じる電圧を固定側ケース101、1
11や金属ベース112をアースとして検出電極104
から接続ピン107を介して取り出し、その加速度を検
出することができるようになっている。
[0005] These acceleration sensors 100 and 110 are:
Male screw 1 provided on the lower surface side of fixed side cases 101 and 111
When a vibration of an object to be detected, such as an engine into which the first and second sensors 01b and 111b are screwed, is applied, a voltage generated in the piezoelectric element 103 in accordance with the vibration of the vibration plate 102 is applied to the fixed-side case 101,
11 and the metal base 112 as the ground,
Through the connection pin 107, and the acceleration can be detected.

【0006】このような加速度センサーは、一定加速度
の振動に対する周波数特性を図12に実線で示すよう
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、一般
的には、使用目的に応じて平坦部またはf0近傍の振動
出力を使用するようになっており、実質的に使用帯域の
上限はこの共振点fo近傍までとなる。例えば、fo近
傍を利用する場合、その高いQを利用してフィルターと
同様な使い方をするが、Qが高すぎるため僅かなfoず
れでも検知出来ないことがある等の不便さがある。この
ことから、一般的には、図13に示すように、抵抗
[R]を圧電素子3と並列に接続して、図12に破線で
示すように、ローカットして使用することによって、Q
を適度に小さくし前記欠点を解消して使用している。な
お、感度という面からすると、図9に示す加速度センサ
ー100よりも、図11に示す加速度センサー110の
方が高感度化が可能であることが実験的に分かってお
り、これは金属ベース112上に振動板102が構成さ
れているためであると考えられ、金属ベース112が完
全な剛体ではなく、加速度により振動板102と同様に
僅かではあるが振動するため、振動板102の振動がト
ランスのように機能して増幅される様な働きをするため
と考えられる。このような加速度センサーの使用例とし
ては、特開昭58−142227号公報に記載されてい
る。
In such an acceleration sensor, as shown by a solid line in FIG. 12, the frequency characteristic with respect to the vibration at a constant acceleration can obtain a high Q near the resonance point f0, but becomes flat in the middle and low frequency regions. Therefore, generally, a flat portion or a vibration output near f0 is used according to the purpose of use, and the upper limit of the working band is substantially up to the vicinity of the resonance point fo. For example, when the vicinity of fo is used, a high Q is used in the same way as a filter, but there is an inconvenience that the Q is too high and even a slight fo shift cannot be detected. For this reason, generally, as shown in FIG. 13, a resistor [R] is connected in parallel with the piezoelectric element 3 and, as shown by a broken line in FIG.
Is appropriately reduced to eliminate the above-mentioned disadvantage. In terms of sensitivity, it has been experimentally found that the acceleration sensor 110 shown in FIG. 11 can achieve higher sensitivity than the acceleration sensor 100 shown in FIG. The metal base 112 is not a completely rigid body, and vibrates slightly but similarly to the vibration base 102 due to acceleration. It is thought that it functions so as to function and be amplified. An example of use of such an acceleration sensor is described in JP-A-58-142227.

【0007】なお、圧電素子103に形成する電極とし
ては、小径の励振電極と大径の検出電極とに2分割して
同軸二重となるように形成してもよく、励振電極を介し
て圧電素子103に外部から交流電圧を印加することに
より圧電素子103の圧電効果により振動板102を振
動させ、この振動により生じる検出電極の出力からセン
サー機能の良否や故障の有無の自己診断あるいは検出レ
ベルの校正をすることができるようにしたものもある。
また、この従来技術では、中央に立設する支柱101
a、112aにより振動板102を支持させるが、円盤
形状の周縁部をクランプするタイプや、棒状の振動板を
片持ちに固定するタイプなど種々の方式がある。また、
圧電素子103の検出電極104と接続ピン107との
間に電気インビーダンス変換器、アンプ、補正回路等の
電子部品を設けられているプリント基板をワイヤ105
によって接続して内蔵させるものもあり、固定側ケース
101、111などにアースを兼用する接続ピン107
のみの一端子タイプの他にも、そのアースを出力端子に
引き出した二端子タイプのものもある。
The electrode formed on the piezoelectric element 103 may be divided into a small-diameter excitation electrode and a large-diameter detection electrode so as to be coaxially double, and may be formed via the excitation electrode. An external AC voltage is applied to the element 103 to vibrate the vibration plate 102 by the piezoelectric effect of the piezoelectric element 103, and the self-diagnosis of the function of the sensor and the presence or absence of a failure or the detection level of the detection level are determined from the output of the detection electrode caused by the vibration. Some of them can be calibrated.
Further, according to this conventional technique, a pillar 101 standing upright at the center is used.
The diaphragm 102 is supported by a and 112a, and there are various types such as a type in which a disk-shaped peripheral portion is clamped and a type in which a rod-shaped diaphragm is fixed to a cantilever. Also,
A printed circuit board on which electronic components such as an electric impedance converter, an amplifier, and a correction circuit are provided between the detection electrode 104 of the piezoelectric element 103 and the connection pin 107 is connected to a wire 105.
The fixed pins 101, 111, etc. also serve as grounds.
In addition to the single-terminal type, there is also a two-terminal type in which the ground is drawn to the output terminal.

【0008】[0008]

【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ーにあっては、振動板102お
よび圧電素子103は、通常、図12に示す周波数特性
の共振点fo近傍では、図14に示すような特性を示す
が、この振動板102および圧電素子103の振動する
空間のサイズなどによっては、音響的定在波が発生する
ことによって、例えば、図15に示すように、fo近傍
等に二つの共振が発生すると、この共振の位相差により
スプリアスとなる大きな反共振(ディップ)が発生し
て、加速度センサーの特性劣化となってしまう場合があ
る。また、振動空間に音響的共鳴が発生する場合もあ
り、この場合にも同様に、fo近傍等にスプリアスとな
るディップが生じてしまい特性劣化となる。
However, in such a conventional acceleration sensor, the vibration plate 102 and the piezoelectric element 103 usually have the frequency characteristic shown in FIG. 12 near the resonance point fo shown in FIG. However, depending on the size of the vibrating space of the diaphragm 102 and the piezoelectric element 103, an acoustic standing wave is generated, for example, as shown in FIG. When two resonances occur, a large anti-resonance (dip) that causes spurious due to a phase difference between the resonances may occur, which may cause deterioration of characteristics of the acceleration sensor. In addition, there are cases where acoustic resonance occurs in the vibration space, and in this case as well, a dip that becomes spurious occurs near fo and the like, resulting in characteristic deterioration.

【0009】このスプリアスは、音響的に発生するた
め、発生周波数が音速[u]により変化することにな
る。例えば、温度が20℃から120℃に変化すると、
音速[u]は、次式から、約1.18倍に上昇すること
が分かる。 [u]=331.45+0.607・T(m/s) T:温度(℃)
[0009] Since the spurious components are generated acoustically, the generated frequency varies depending on the sound speed [u]. For example, if the temperature changes from 20 ° C to 120 ° C,
From the following equation, it can be seen that the sound speed [u] increases about 1.18 times. [U] = 331.45 + 0.607 · T (m / s) T: Temperature (° C.)

【0010】このため、常温で発生しなかったディップ
が高温時に発生したり、逆に図15に示すように、常温
で大きなディップが発生して高温時には小さくなる等の
現象が現れることがある。このスプリアスの解明はなさ
れていないことから、加速度センサーを設計する際に
は、所望の共振周波数foを有する振動系を構成すると
ともに、スプリアスの弊害の有無に応じて寸法変更を繰
り返す等の試行錯誤を行って、測定対象に適した加速度
センサーを設計するという、煩雑な作業が強いられると
いう問題があった。
For this reason, a dip that does not occur at room temperature may occur at a high temperature, or on the contrary, as shown in FIG. 15, a large dip occurs at room temperature and becomes smaller at a high temperature. Since this spurious has not been elucidated, when designing an acceleration sensor, it is necessary to construct a vibration system having a desired resonance frequency fo and to repeat dimensional changes in accordance with the presence or absence of adverse effects of spurious. To design an acceleration sensor suitable for the object to be measured.

【0011】このことから、所望の全使用帯域または広
帯域で各種のfoを有する加速度センサーを、共通化し
たケース構造内に収装可能に設計することが困難である
という問題もあった。
For this reason, there is a problem that it is difficult to design an acceleration sensor having various fos in a desired entire use band or a wide band so as to be able to be housed in a common case structure.

【0012】本発明は、このような問題を解決するため
になされたもので、反共振のディップによるスプリアス
の発生を簡単な構造により低減することを実現して、特
に、共振周波数fo近傍を使用する場合に大きな効果を
得ることができる、低価格で高い性能を有する加速度セ
ンサーを提供することを目的とする。
The present invention has been made to solve such a problem, and realizes the reduction of spurious generation due to antiresonant dip by a simple structure. It is an object of the present invention to provide a low-cost and high-performance acceleration sensor that can obtain a great effect when performing the operation.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】本発明の加速度センサー
は、振動板の片面または両面に、平板形状に形成した圧
電素子を固設して、加えられた加速度に応じた前記振動
板の振動変形により前記圧電素子に発生する電圧によっ
て前記加速度を検出する加速度センサーであって、前記
圧電素子および前記振動板の振動方向の空間距離を、前
記圧電素子および前記振動板の平面方向の空間距離の
0.1倍以下になるように設定したケース内に、前記圧
電素子および前記振動板を収装した構成を有している。
According to the acceleration sensor of the present invention, a piezoelectric element formed in a flat plate shape is fixed to one or both surfaces of a vibration plate, and the vibration deformation of the vibration plate according to an applied acceleration is provided. An acceleration sensor for detecting the acceleration by a voltage generated in the piezoelectric element, wherein the spatial distance between the piezoelectric element and the diaphragm in the vibration direction is set to 0 as the spatial distance between the piezoelectric element and the diaphragm in the plane direction. The piezoelectric element and the vibrating plate are housed in a case set to be equal to or less than .1 times.

【0014】この構成により、振動板および圧電素子
は、ケースの内径などの平面方向の間隔よりも対向面間
距離を0.1倍以下に設定された振動空間内で、加えら
れた加速度に応じて振動することになり、ケース内部で
の音響的定在波を防止することができ、また、内部空間
を小さくすることにより音響的共鳴周波数を使用帯域の
上限外となるように構成して、反共振のディップの発生
を低減することができる。したがって、振動空間内に収
装可能に振動板および圧電素子の外形を設計するだけ
の、ケースの共通化を実現することができると共に、簡
単な構造でスプリアスの発生を防止することができ、特
に、共振周波数fo近傍を使用する場合に大きな効果を
得ることができる高性能の加速度センサーを低価格で作
製することができる。なお、振動板および圧電素子の外
側面とケースの内側面との隙間は、通常通りに、振動板
および圧電素子の振動を妨げない程度の間隔になるよう
に狭く設定すればよい。
According to this configuration, the diaphragm and the piezoelectric element respond to the applied acceleration in a vibration space in which the distance between the opposing surfaces is set to 0.1 times or less than the interval in the planar direction such as the inner diameter of the case. Vibration, it is possible to prevent acoustic standing waves inside the case, and also to reduce the internal space, so that the acoustic resonance frequency is outside the upper limit of the use band, The occurrence of anti-resonance dips can be reduced. Therefore, it is possible to realize the common use of the case, which only requires designing the outer shapes of the diaphragm and the piezoelectric element so as to be able to be housed in the vibration space, and it is possible to prevent the occurrence of spurious components with a simple structure. In addition, a high-performance acceleration sensor that can obtain a great effect when the vicinity of the resonance frequency fo is used can be manufactured at low cost. Note that the gap between the outer surface of the vibration plate and the piezoelectric element and the inner surface of the case may be set to be small as usual so as not to hinder the vibration of the vibration plate and the piezoelectric element.

【0015】ここで、本発明に係る加速度センサーは、
前記振動板を円盤形状に形成するとともに前記圧電素子
をドーナツ形状に形成して、前記圧電素子を固設した前
記振動板の中央部を、前記ケースの固定側ケースに立設
した支柱により支持させる一方、前記圧電素子の電極に
電気的に接続する接続用端子を前記ケースの接続側ケー
スに配設し、前記固定側ケースと前記接続側ケースの端
部を嵌合することにより、前記固定側ケースの前記振動
板に対する対向面間距離および前記接続側ケースの前記
圧電素子に対する対向面間距離を前記ケースの内径の
0.1倍以下になるように設定した前記圧電素子および
前記振動板の振動空間を画成する構成としたり、
Here, the acceleration sensor according to the present invention comprises:
The vibrating plate is formed in a disk shape and the piezoelectric element is formed in a donut shape, and a central portion of the vibrating plate on which the piezoelectric element is fixed is supported by a column standing on a fixed side case of the case. On the other hand, a connection terminal electrically connected to the electrode of the piezoelectric element is provided on a connection side case of the case, and the fixed side case and the end of the connection side case are fitted to each other to form the fixed side. The vibration of the piezoelectric element and the vibration plate, wherein the distance between the opposing surfaces of the case with respect to the vibration plate and the distance between the opposing surfaces of the connection side case with the piezoelectric element are set to be 0.1 times or less the inner diameter of the case. It can be a composition that defines space,

【0016】また、前記振動板および前記圧電素子をド
ーナツ形状に形成して、前記圧電素子を固設した前記振
動板の中央部を、前記圧電素子の電極に電気的に接続す
る接続用端子を配設して外部コネクタと接続する、前記
ケースの接続側ケースに立設した支柱により支持させ、
固定側ケースと前記接続側ケースの端部を嵌合すること
により、前記固定側ケースの前記圧電素子に対する対向
面間距離および前記接続側ケースの前記振動板に対する
対向面間距離を前記ケースの内径の0.1倍以下になる
ように設定した前記圧電素子および前記振動板の振動空
間を画成する構成を採用することができる。
Further, the vibration plate and the piezoelectric element are formed in a donut shape, and a connection terminal for electrically connecting a central portion of the vibration plate on which the piezoelectric element is fixed to an electrode of the piezoelectric element is provided. Arranged and connected to an external connector, supported by a column erected on the connection side case of the case,
By fitting the fixed-side case and the end of the connection-side case together, the distance between the facing surfaces of the fixed-side case with respect to the piezoelectric element and the distance between the facing surfaces of the connection-side case with respect to the diaphragm are determined by the inner diameter of the case. It is possible to adopt a configuration that defines a vibration space of the piezoelectric element and the vibration plate set to be 0.1 times or less of the following.

【0017】[0017]

【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〜図7は本発明に係る加速度センサーの第
1実施形態を示す図である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below with reference to the drawings. 1 to 7 are views showing a first embodiment of the acceleration sensor according to the present invention.

【0018】まず、加速度センサーの構造を説明する。
図1において、加速度センサー10は、固定側ケース1
1と、振動板12と、圧電素子13と、接続側ケース1
6と、Oリング18とを組み立てることにより作製され
ており、図9に示す従来技術と同様に、円盤形状に形成
した金属製の振動板12上に、ドーナツ形状に形成して
表裏面に検出電極14を成膜した圧電素子13を同軸と
なるように接着されることにより、例えば、エンジン等
の検出対象の振動を加えられたときに、振動板12を介
して与えられる応力歪みにより圧電素子13に電荷
[Q]が発生し、その圧電素子13の静電容量[C]に
応じて生じる次式で示す大きさの電圧[V]を取り出
し、加えられた加速度を検出するようになっている。 [V]=Q/C
First, the structure of the acceleration sensor will be described.
In FIG. 1, an acceleration sensor 10 is a fixed side case 1.
1, a vibration plate 12, a piezoelectric element 13, and a connection side case 1.
6 and an O-ring 18 are assembled. As in the prior art shown in FIG. 9, a donut shape is formed on the disk-shaped metal diaphragm 12 and detected on the front and back surfaces. The piezoelectric element 13 on which the electrode 14 is formed is adhered so as to be coaxial, so that, for example, when vibration of a detection target such as an engine is applied, the piezoelectric element 13 is subjected to stress distortion given through the diaphragm 12. A charge [Q] is generated in the piezoelectric element 13, a voltage [V] having a magnitude represented by the following expression that is generated according to the capacitance [C] of the piezoelectric element 13 is taken out, and the applied acceleration is detected. I have. [V] = Q / C

【0019】固定側ケース11は、円形の底面を有する
有底の円筒枠形状に金属材料により形成されており、そ
の底面中央には、圧電素子13を一面側に固設した振動
板12を溶接して支持するように支柱11aを一体形成
されるとともに、下面側には、エンジンなどの検出対象
に設けられているねじ穴に螺合させて固定する雄ねじ1
1bを設けられている。
The fixed case 11 is formed of a metal material in the shape of a bottomed cylindrical frame having a circular bottom surface, and a diaphragm 12 having a piezoelectric element 13 fixed on one surface is welded to the center of the bottom surface. A support post 11a is integrally formed so as to support the screw, and a male screw 1 screwed and fixed to a screw hole provided in a detection target such as an engine on the lower surface side.
1b is provided.

【0020】接続側ケース16は、固定側ケース11と
略同径の有底円筒枠形状に樹脂材料により形成されてお
り、その底面中央に貫通する接続ピン17を中央にする
外部コネクタを接続可能なコネクタ部16aを固定側ケ
ース11の背面側に位置するように一体成形されてい
る。この接続ピン17には、圧電素子13の検出電極1
4にワイヤボンデイング等により電気的に導通固定した
ワイヤ15を半田15aによって接続されて、圧電素子
13に生じた圧電[V]を外部に取り出すことができる
ようになっている。
The connection side case 16 is formed of a resin material in the shape of a bottomed cylindrical frame having substantially the same diameter as the fixed side case 11, and an external connector having a connection pin 17 passing through the center of the bottom surface as a center can be connected. The connector portion 16a is integrally formed so as to be located on the back side of the fixed side case 11. The connection pin 17 is connected to the detection electrode 1 of the piezoelectric element 13.
4, a wire 15 electrically conductively fixed by wire bonding or the like is connected by solder 15a, so that the piezoelectric [V] generated in the piezoelectric element 13 can be taken out.

【0021】これら固定側ケース11および接続側ケー
ス16とは、互いに突き合う円筒形状端部11c、16
cを嵌合させて、内部に振動板12および圧電素子13
の振動体19を振動可能に収装する空間V(V1、V
2)を画成するようになっており、円筒形状端部11c
の大径壁部11dと小径壁部11eの間にOリング18
をセットするとともに円筒形状端部16cを挟み込むよ
うに嵌め込んで、その固定側ケース11の大径壁部11
dを接続側ケース16の角部を押さえるようにかしめる
ことにより、その振動空間Vを防水構造に組み立てるよ
うになっている。
The fixed-side case 11 and the connection-side case 16 are provided with cylindrical end portions 11c, 16 which abut each other.
c and the vibration plate 12 and the piezoelectric element 13
V (V1, V
2), and has a cylindrical end 11c.
O-ring 18 between large-diameter wall portion 11d and small-diameter wall portion 11e.
Is set, and the large-diameter wall portion 11 of the fixed side case 11 is fitted so as to sandwich the cylindrical end portion 16c.
By caulking d so as to press the corner of the connection side case 16, the vibration space V is assembled into a waterproof structure.

【0022】また、固定側ケース11および接続側ケー
ス16の内部に画成する振動空間V(V1、V2)は、
固定側ケース11および接続側ケース16の内周壁面
を、振動板12よりも大きな内径φA(φA1、φA
2)に設定する一方、振動板12および圧電素子13の
厚さDに、その振動板12下面から固定側ケース11の
底面までの対向面間距離L1と、その圧電素子13上面
から接続側ケース16の底面までの対向面間距離L2と
を加えた固定側ケース11および接続側ケース16の底
面間距離を設定する際には、固定側ケース11と接続側
ケース16のそれぞれの対向面間距離L1、L2が、内
周壁面の内径φAに対して0.1倍以下になるように設
定されている。したがって、固定側ケース11および接
続側ケース16の画成する振動空間Vは、従来技術より
も、振動板12および圧電素子13の振動方向の空間距
離Lを狭くした薄型に設定されている。
The vibration space V (V1, V2) defined inside the fixed case 11 and the connection case 16 is
The inner peripheral wall surfaces of the fixed side case 11 and the connection side case 16 are formed with an inner diameter φA (φA1, φA
2), the thickness D of the vibration plate 12 and the piezoelectric element 13, the distance L1 between opposing surfaces from the lower surface of the vibration plate 12 to the bottom surface of the fixed case 11, and the thickness of the connection case from the upper surface of the piezoelectric element 13. When setting the distance between the bottom surfaces of the fixed case 11 and the connection case 16 to which the distance L2 between the opposed surfaces to the bottom surface of the fixed case 16 is added, the distance between the opposed surfaces of the fixed case 11 and the connection case 16 is set. L1 and L2 are set to be 0.1 times or less the inner diameter φA of the inner peripheral wall surface. Therefore, the vibration space V defined by the fixed-side case 11 and the connection-side case 16 is set to be thin, in which the spatial distance L in the vibration direction of the vibration plate 12 and the piezoelectric element 13 is narrower than in the related art.

【0023】次に、加速度センサー10の寸法設計を説
明する。加速度センサー10は、図2に示すように、固
定側ケース11および接続側ケース16の内部に画成す
る振動空間V(V1、V2)内に、振動板12および圧
電素子13の振動体19を振動可能に収装するものとし
てモデル化することができる。この振動空間V内に発生
する音響的定在波は、基本的に閉ざされた壁面間または
一端が開放された管状の構成を持つ筐体内に音源がある
場合に発生し、その音源の最大振幅部が波長の最大点と
なり易く、壁面の材質・形状の非対称等々により、発生
の仕方が変化して複雑さを増すために理論的解析は難し
いが、一般的には、定在波の発生周波数[fc]は概略
次式で示されるので、このfcの整数倍で発生し、ま
た、このfcは音速[u]に比例することが分かる。 [fc]=u/λ u:音速(m/s) λ:波長(m)
Next, the dimensional design of the acceleration sensor 10 will be described. As shown in FIG. 2, the acceleration sensor 10 includes a vibration plate 12 and a vibrating body 19 of the piezoelectric element 13 in a vibration space V (V1, V2) defined inside the fixed side case 11 and the connection side case 16. It can be modeled as being mounted so that it can be oscillated. The acoustic standing wave generated in the vibration space V is generated when a sound source is basically present between a closed wall or a housing having a tubular configuration with one end opened, and the maximum amplitude of the sound source is obtained. The part tends to be the maximum point of the wavelength, and the method of generation changes due to the asymmetry of the wall surface material and shape. Since [fc] is approximately represented by the following equation, it can be seen that it occurs at an integral multiple of this fc, and that this fc is proportional to the sound speed [u]. [Fc] = u / λ u: sound velocity (m / s) λ: wavelength (m)

【0024】このことから、加速度センサー10内で発
生する定在波は、基本的に閉塞壁間の場合にはその距離
bがλ/2となる周波数であり、開放端の場合はλ/4
となる周波数となる。つまり、加速度センサー10内で
発生する定在波の周波数[fc]は、それぞれ次式で示
される。なお、閉塞壁間の場合でも、片側の壁の材質が
吸音性の強い材料である場合等はλ/2ではなく、λ/
4となることもある。 閉塞壁間の場合 [fc]=u/(2×b) 開放端の場合 [fc]=u/(4×b)
From the above, the standing wave generated in the acceleration sensor 10 is basically a frequency at which the distance b is λ / 2 when between the closed walls, and λ / 4 when at the open end.
The frequency becomes That is, the frequency [fc] of the standing wave generated in the acceleration sensor 10 is expressed by the following equations. In addition, even in the case between the closed walls, when the material of one wall is a material having a strong sound absorbing property, it is not λ / 2 but λ /
May be 4. In case of between closed walls [fc] = u / (2 × b) In case of open end [fc] = u / (4 × b)

【0025】このように、振動空間Vを単に画成するの
では、図2に矢印付破線で波の状態(腹・節)を模擬的
に示すように、基本的に発生し易い定在波が存在する
が、加速度センサー10にあっては、この定在波による
発生周波数[fc]を所望の使用帯域外(一般的には上
限外)にしたり、音響抵抗等の効果により発生自体を抑
えるように設計する。
When the vibration space V is simply defined as described above, the standing wave is basically generated easily as shown in FIG. However, in the acceleration sensor 10, the frequency [fc] generated by the standing wave is outside the desired use band (generally outside the upper limit), or the generation itself is suppressed by an effect such as acoustic resistance. To be designed.

【0026】例えば、加速度センサーの一般的使用帯域
はfo=20(kHz)以下であるから、定在波による
周波数を20(kHz)以上とすればよい。ここで、図
2中の振動空間Vの高さL方向(振動方向)の定在波を
後述する音響抵抗等により防止するためには、振動空間
V内に吸音材等を付加することがまず考えられるが構造
を複雑化するため適さないので、定在波による発生周波
数[fc]を使用帯域外とすることを検討する。
For example, since the general use band of the acceleration sensor is fo = 20 (kHz) or less, the frequency of the standing wave may be set to 20 (kHz) or more. Here, in order to prevent standing waves in the height L direction (vibration direction) of the vibration space V in FIG. 2 by acoustic resistance or the like described later, it is first necessary to add a sound absorbing material or the like in the vibration space V. It is conceivable, but it is not suitable because the structure is complicated, so that the generation frequency [fc] due to the standing wave is considered to be outside the usable band.

【0027】このL方向の定在波を考えた場合には、最
も低い周波数はLがλ/2となる周波数であるが、材質
によって開放端の構造に近い場合はλ/4となる周波数
であることから、上記式から、u=343.59
(m)、fc=20(kHz)として、L寸法を求める
と、次のようになる。この寸法では、現実的なサイズで
あり、比較的容易にL方向の定在波を防止することがで
きる。 λ/2の場合 L≦8.59(mm) λ/4の場合 L≦4.29(mm)
When the standing wave in the L direction is considered, the lowest frequency is the frequency at which L is λ / 2, but if the material is close to the open end structure, the frequency is λ / 4. Therefore, from the above equation, u = 343.59
(M), fc = 20 (kHz) and the L dimension is obtained as follows. This size is a realistic size, and the standing wave in the L direction can be relatively easily prevented. For λ / 2 L ≦ 8.59 (mm) For λ / 4 L ≦ 4.29 (mm)

【0028】一方、振動空間Vの径φA方向の定在波に
関しては、例えば、共振タイプの使用帯域下限を考えた
場合には、その共振周波数foは6〜7(kHz)程度
で、foは振動体19の板厚・半径(外径)・材質等で
決まってくることから、この振動体19を振動可能に収
装する振動空間Vの径方向の寸法φAはおのずと決まっ
てくる。下記条件の場合には、約fo=7.095(k
Hz)である。
On the other hand, regarding the standing wave in the diameter φA direction of the vibration space V, for example, considering the lower limit of the use band of the resonance type, the resonance frequency fo is about 6 to 7 (kHz), and fo is Since the thickness, radius (outer diameter), material, and the like of the vibrating body 19 are determined, the radial dimension φA of the vibration space V in which the vibrating body 19 is vibrated is naturally determined. Under the following conditions, about fo = 7.095 (k
Hz).

【0029】<固定側ケース11の支柱11a> 径:φ4.3(mm)<Support 11a of Fixed Side Case 11> Diameter: φ4.3 (mm)

【0030】<振動板12> 外径/内径:φ21.6/3.1(mm) 板厚:0.4(mm) ヤング率E=2×1011(N/m2) 密度ρ=7.8×103(kg/m3) ポアソン比σ=0.28<Vibration plate 12> Outer diameter / inner diameter: φ21.6 / 3.1 (mm) Plate thickness: 0.4 (mm) Young's modulus E = 2 × 10 11 (N / m 2 ) Density ρ = 7 0.8 × 10 3 (kg / m 3 ) Poisson's ratio σ = 0.28

【0031】<圧電素子13> 外径/内径:φ15.8/3.1(mm) 板厚:0.38(mm) ヤング率E=6.3×1010(N/m2) 密度ρ=7.65×103(kg/m3) ポアソン比σ=0.34<Piezoelectric element 13> Outer diameter / inner diameter: φ15.8 / 3.1 (mm) Plate thickness: 0.38 (mm) Young's modulus E = 6.3 × 10 10 (N / m 2 ) Density ρ = 7.65 × 10 3 (kg / m 3 ) Poisson's ratio σ = 0.34

【0032】この振動体19の条件の場合には、加速度
センサー10の外観が大きくなるのを避けるため、固定
側ケース11および接続側ケース16の内周壁面を内径
φA=23(mm)程度で構成し(極低い共振周波数f
oの場合には、振動体19の板厚Dを薄くする等により
外径を小さくし、この内径φA内となるように設計され
る)、定在波の周波数はλ/2から約fc=7.47
(kHz)となり、使用帯域に定在波が発生する恐れが
あることが分かる(λ/4の定在波の場合には構成上か
らλ/2の定在波の場合よりもfcは必然的に多少高く
なる)。また、この振動体19の外径では、固定側ケー
ス11および接続側ケース16の内周壁面を内径φA=
23(mm)より小さくすることはできないので、振動
空間V内に定在波が発生するのを防止するには、定在波
の周波数fcを使用帯域外に持っていく方法では対応で
きないことがわかる。
Under the condition of the vibrating body 19, in order to prevent the appearance of the acceleration sensor 10 from becoming large, the inner peripheral wall surfaces of the fixed case 11 and the connection case 16 have an inner diameter φA of about 23 (mm). (Resonant frequency f
In the case of o, the outer diameter is reduced by reducing the plate thickness D of the vibrating body 19 or the like, and the vibration is designed to be within the inner diameter φA), and the frequency of the standing wave is from λ / 2 to about fc = 7.47
(KHz), which indicates that there is a possibility that a standing wave may be generated in the used band. (In the case of a standing wave of λ / 4, fc is inevitable from the configuration in comparison with the case of a standing wave of λ / 2. Slightly higher). With the outer diameter of the vibrating body 19, the inner peripheral wall surfaces of the fixed case 11 and the connection case 16 have an inner diameter φA =
Since it cannot be made smaller than 23 (mm), in order to prevent the standing wave from being generated in the vibration space V, it is not possible to take the method of bringing the frequency fc of the standing wave out of the used band. Understand.

【0033】このことから、内径φA方向の定在波の発
生を防止するには、振動空間V内での音響抵抗を大きく
する方法を検討する必要がある。構造を複雑化しないよ
うに振動空間V内に吸音材等を付加することなく、音響
抵抗を大きくするには、空気の性質である粘性(摩擦)
抵抗を利用することが考えられる。
Therefore, in order to prevent the standing wave from occurring in the direction of the inner diameter φA, it is necessary to consider a method of increasing the acoustic resistance in the vibration space V. To increase the acoustic resistance without adding a sound absorbing material or the like in the vibration space V so as not to complicate the structure, the viscosity (friction) which is a property of air is used.
It is conceivable to use resistance.

【0034】例えば、直方体の空気層の音響抵抗[γ]
は一般的に次式で示されることから、音響抵抗[γ]を
大きくするには空気層の高さhの寸法を小さくするのが
効果的であることが分かる。この対策はL方向の定在波
の発生防止にも繋がるので最適な方法と言える。 [γ]=12×μ×d/(w×h3) μ:空気の粘性抵抗 d:空気層の長さ w:空気層の幅 h:空気層の高さ
For example, the acoustic resistance [γ] of a rectangular parallelepiped air layer
Is generally expressed by the following equation, which shows that it is effective to reduce the dimension of the height h of the air layer to increase the acoustic resistance [γ]. This measure can be said to be an optimal method since it also leads to prevention of generation of a standing wave in the L direction. [Γ] = 12 × μ × d / (w × h 3 ) μ: viscous resistance of air d: length of air layer w: width of air layer h: height of air layer

【0035】このため、固定側ケース11と接続側ケー
ス16の底面から振動体19の表裏面までの対向面間距
離L1、L2に関して、定在波の発生しない値を実験的
に求めた結果、この対向面間距離L1、L2を、固定側
ケース11と接続側ケース16の内周壁面の内径φAの
約0.1倍以下に構成することが望ましいことが分かっ
た。なお、支柱11aの有無によるものと考えられる
が、固定側ケース11底面との間の振動空間V1(距離
L1)側よりも、接続側ケース16底面との間の振動空
間V2(距離L2)側の方が定在波の発生に影響が大き
かったので、特に重要である。
For this reason, as to the distances L1 and L2 between the opposing surfaces from the bottom surfaces of the fixed case 11 and the connection case 16 to the front and back surfaces of the vibrating body 19, values that do not generate standing waves are experimentally obtained. It has been found that it is desirable to configure the distances L1 and L2 between the facing surfaces to be about 0.1 times or less the inner diameter φA of the inner peripheral wall surfaces of the fixed case 11 and the connection case 16. Although it is considered that it depends on the presence or absence of the support 11a, the vibration space V2 (distance L2) between the connection case 16 and the bottom surface is closer to the vibration space V1 (distance L1) between the fixed case 11 and the bottom surface. Is particularly important because it has a greater effect on the generation of standing waves.

【0036】なお、対向面間距離L1、L2の下限値と
しては振動板12の振動代を確保できる値が望ましい。
It is preferable that the lower limit of the distances L1 and L2 between the opposing surfaces is a value that can secure the vibration allowance of the diaphragm 12.

【0037】このように、内径φA=23(mm)のと
きには、対向面間距離L1、L2≦2.3(mm)とな
り、内径φ19(mm)のときには、対向面間距離L
1、L2≦1.9(mm)となって、L方向の定在波に
よる結果と比較した場合、振動体19の厚さDにもよる
が、開放端の場合のλ/4時以外は内径φA方向の結果
が寸法設定時には優先的に決定することになる。
As described above, when the inner diameter φA is 23 (mm), the distance L1 and L2 ≦ 2.3 (mm) between the opposing surfaces is satisfied. When the inner diameter φ is 19 (mm), the distance L between the opposing surfaces is L.
1, L2 ≦ 1.9 (mm), and when compared with the result of the standing wave in the L direction, depending on the thickness D of the vibrating body 19, except for λ / 4 at the open end, The result in the direction of the inner diameter φA is determined preferentially at the time of dimension setting.

【0038】そして、振動空間Vの音響的共鳴周波数に
関して、まず、図3に示すように、音響的共鳴(ヘルム
ホルツの共鳴管)周波数fhを説明するための断面図例
から検討すると、容積vの気室Rが面積sで長さdaの
細孔Hが形成されている場合に、この気室Rと細孔Hに
より共鳴を生じるとき、その共鳴周波数[fh]は次式
で示される。この音響共鳴による[fh]も音速[u]
に比例することが分かる。 fh=(1/2π)×(So/mo)1/2 =(u/2π)×(s/(da×v))1/2 So:空気のスティフネス mo:空気のmass ρ:空気の密度 So=ρ×u2/v mo=ρ×da/s
Referring to the acoustic resonance frequency of the vibration space V, first, as shown in FIG. 3, a sectional view for explaining the acoustic resonance (Helmholtz resonance tube) frequency fh will be discussed. When the air chamber R has the area s and the pore H having the length da is formed, when resonance occurs by the air chamber R and the pore H, the resonance frequency [fh] is expressed by the following equation. [Fh] due to this acoustic resonance also has a sound velocity [u]
It turns out that it is proportional to. fh = (1 / 2π) × (So / mo) 1/2 = (u / 2π) × (s / (da × v)) 1/2 So: Stiffness of air mo: Mass of air ρ: Density of air So = ρ × u 2 / v mo = ρ × da / s

【0039】この音響共鳴例に加速度センサー10の振
動空間Vを当てはめると、図4に示すように、モデル化
することができ、moは振動体19の外周面とケース1
1、16の内周壁面(内径φA)との間のmassであ
り、その隙間ηがある程度小さくなると音響抵抗roが
無視できなくなる。実測したところ、隙間ηが約0.3
(mm)程度以下では、音響共鳴は発生していないこと
を確認することができた。なお、固定側ケース11と接
続側ケース16により画成される振動空間V1、V2で
は、それぞれで異なる空気のスティフネスSo1、So
2の値をとることになる。
When the vibration space V of the acceleration sensor 10 is applied to this acoustic resonance example, it can be modeled as shown in FIG. 4, where mo is the outer peripheral surface of the vibrating body 19 and the case 1
This is a mass between the inner peripheral wall surfaces (inner diameter φA) of the first and the second 16 and when the gap η is reduced to some extent, the acoustic resistance ro cannot be ignored. When measured, the gap η was about 0.3
(Mm) or less, it was confirmed that no acoustic resonance occurred. In the vibration spaces V1 and V2 defined by the fixed-side case 11 and the connection-side case 16, different air stiffnesses So1 and So are provided.
It will take a value of 2.

【0040】この加速度センサー10の振動空間Vのモ
デルは、図5に示す等価回路で表すことができ、この等
価回路から音響的共鳴は二周波数で発生するように思わ
れるが、実測では一周波数であることが確認された。こ
の原因に関しては明確ではないが、計算値では空気のス
ティフネスSo1、So2が並列接続になった場合と概
略一致した。
A model of the vibration space V of the acceleration sensor 10 can be represented by an equivalent circuit shown in FIG. 5. From this equivalent circuit, it seems that acoustic resonance occurs at two frequencies. Was confirmed. Although the reason for this is not clear, the calculated value roughly coincides with the case where the air stiffness So1 and So2 are connected in parallel.

【0041】ただし、音響共鳴の周波数[fh]の上記
式から、細孔Hの面積s、長さdaによるコントロール
に関しては振動体19の寸法とケース11、16の内周
壁面の内径φAから決定されることから、所望の共振周
波数[fo]により決定されると言えるので、ケース1
1、16を共用化して振動体19の外径寸法を変化させ
ることにより所望の共振周波数[fo]を得られるよう
にするのには適さない。
However, from the above equation of the frequency [fh] of the acoustic resonance, the control based on the area s of the pore H and the length da is determined from the dimensions of the vibrating body 19 and the inner diameter φA of the inner peripheral wall surfaces of the cases 11 and 16. Therefore, it can be said that it is determined by the desired resonance frequency [fo].
It is not suitable to obtain a desired resonance frequency [fo] by changing the outer diameter dimension of the vibrating body 19 by sharing the elements 1 and 16.

【0042】このことから、音響共鳴の周波数[fh]
をコントロールし易いのは気室Rの容積vということに
なり、この周波数[fh]を使用帯域上限外に高くする
ためには容積vを極力小さくする必要があることが分か
る。
From this, the frequency [fh] of the acoustic resonance
Is easily controlled by the volume v of the air chamber R. It can be seen that the volume v needs to be reduced as much as possible in order to increase the frequency [fh] to outside the upper limit of the use band.

【0043】したがって、定在波の対策と同様に、固定
側ケース11と接続側ケース16の振動体19との間の
対向面間距離L1、L2を小さく構成することが最適で
あり、この場合も同様に実測して確認したところ、この
対向面間距離L1、L2は、ケース11、16の内周壁
面の内径φAの約0.1倍以下とする必要があることが
分かった。
Therefore, it is optimal to make the distances L1 and L2 between the opposing surfaces between the fixed case 11 and the vibrating body 19 of the connection case 16 small as in the case of the standing wave countermeasure. In the same manner, it was found that the distances L1 and L2 between the facing surfaces need to be about 0.1 times or less the inner diameter φA of the inner peripheral wall surfaces of the cases 11 and 16.

【0044】また、音響的共鳴の場合、固定側ケース1
1および接続側ケース16と振動体19により画成され
る振動空間V1、V2の並列接続と考えられるので、双
方の対向面間距離L1、L2を完全に小さくする必要は
なく、ある程度小さくなれば、この対向面間距離L1、
L2の片側を積極的に小さくしても良いと考えられる。
但し、この場合は対向面間距離L1、L2の片側をケー
ス11、16の内周壁面の内径φAの約0.05倍程度
以下まで小さくする必要があることが実測したところ確
認された。
In the case of acoustic resonance, the fixed case 1
1 and the parallel connection of the vibration spaces V1 and V2 defined by the connection-side case 16 and the vibrating body 19, it is not necessary to completely reduce the distances L1 and L2 between the opposing surfaces. , The distance L1 between the facing surfaces,
It is considered that one side of L2 may be positively reduced.
However, in this case, it was confirmed by actual measurement that one side of the distances L1 and L2 between the opposing surfaces needs to be reduced to about 0.05 times or less the inner diameter φA of the inner peripheral wall surfaces of the cases 11 and 16.

【0045】したがって、ケース11、16を共用化し
て、振動体19の主に外径寸法を変化させるのみで広い
所望の帯域に対応する場合には、上限の共振周波数[f
o]でも音響共鳴が使用帯域で発生しないように固定側
ケース11および接続側ケース16と振動体19により
画成される振動空間V1、V2を狭く構成すれば良いこ
とになる。
Therefore, when the cases 11 and 16 are commonly used to cope with a wide desired band only by changing mainly the outer diameter of the vibrating body 19, the upper limit resonance frequency [f
o], the vibration spaces V1 and V2 defined by the fixed-side case 11, the connection-side case 16, and the vibrating body 19 may be configured to be narrow so that acoustic resonance does not occur in the use band.

【0046】例えば、比較的小さな振動空間V1、V2
の場合には、図6のグラフに示すように、同一振動体1
9(同一外径)でケース11、16の内径φAを変化さ
せることにより隙間ηを変化させたとき、一定の共振周
波数[fo]に対する共鳴周波数[fh]の変化から、
隙間ηがある程度大きくなると共鳴周波数[fh]は飽
和状態になることが分かり、これは共鳴周波数[fh]
を示す上記式におけるs、vの変化からも推測すること
ができる。この結果から、ある程度の隙間ηがある場合
には、共鳴周波数[fh]は振動体19の外径でほぼ決
まってくることが分かる。
For example, the relatively small vibration spaces V1, V2
In the case of, as shown in the graph of FIG.
When the gap η is changed by changing the inner diameter φA of the cases 11 and 16 at 9 (the same outer diameter), the change in the resonance frequency [fh] with respect to the constant resonance frequency [fo]
It can be seen that when the gap η becomes large to some extent, the resonance frequency [fh] becomes saturated, which is equivalent to the resonance frequency [fh].
Can also be inferred from the changes in s and v in the above equation showing From this result, it can be seen that when there is a certain gap η, the resonance frequency [fh] is substantially determined by the outer diameter of the vibrating body 19.

【0047】また、ケース11、16の同一内径φAで
振動体19の外径を変化させることにより隙間ηを変化
させた場合には、図7の同様なグラフに示すように、共
振周波数[fo]と共鳴周波数[fh]は、異なる勾配
で共に直線的な変化をすることから、振動空間V1、V
2を小さく構成して、共鳴周波数[fh]を共振周波数
[fo]よりも高く設定することにより、そのfoに弊
害を与えないことが分かる。
When the gap η is changed by changing the outer diameter of the vibrating body 19 at the same inner diameter φA of the cases 11 and 16, as shown in a similar graph of FIG. 7, the resonance frequency [fo ] And the resonance frequency [fh] change linearly with different gradients, so that the vibration spaces V1, V
2 is set to be small and the resonance frequency [fh] is set higher than the resonance frequency [fo].

【0048】このように本実施形態においては、振動板
12および圧電素子13は、ケース11、16の底面と
の間に画成される振動空間V1、V2の対向面間距離L
1、L2を、そのケース11、16の平面方向の内径φ
Aの0.1倍以下に設定することにより、その振動空間
V内で音響的定在波が発生するのを防止することがで
き、また、この振動空間Vを小さくすることによって、
音響的共鳴周波数[fh]を使用帯域の上限外となるよ
うに構成することができる。したがって、従来技術の寸
法設定では、防止することが困難であった反共振のディ
ップによるスプリアスの発生を安価に作製可能な簡易な
構成により防止することができる。また、その振動空間
Vを画成するケース11、16を共通化しても、その振
動空間V内に収装する振動板12および圧電素子13の
外径を変化させるだけで、スプリアスの発生を防止する
ことができ、特に、共振周波数fo近傍を使用する場合
に大きな効果を得ることができる。
As described above, in the present embodiment, the vibration plate 12 and the piezoelectric element 13 are provided with the distance L between the opposing surfaces of the vibration spaces V1 and V2 defined between the bottom surfaces of the cases 11 and 16.
1, L2 is the inner diameter φ of the cases 11, 16 in the plane direction.
By setting it to 0.1 times or less of A, it is possible to prevent generation of an acoustic standing wave in the vibration space V, and by reducing the vibration space V,
The acoustic resonance frequency [fh] can be configured to be outside the upper limit of the use band. Therefore, the generation of spurious due to the anti-resonance dip, which was difficult to prevent by the dimension setting of the conventional technology, can be prevented by a simple configuration that can be manufactured at low cost. Further, even if the cases 11 and 16 that define the vibration space V are shared, the occurrence of spurious is prevented only by changing the outer diameter of the vibration plate 12 and the piezoelectric element 13 housed in the vibration space V. In particular, a large effect can be obtained when the vicinity of the resonance frequency fo is used.

【0049】次に、図8は本発明に係る加速度センサー
の第2実施形態を示す図である。なお、本実施形態で
は、上述実施形態と同様に構成されているので、同様な
構成には同一の符号を付して特徴部分を説明する。
Next, FIG. 8 is a view showing a second embodiment of the acceleration sensor according to the present invention. In addition, in this embodiment, since it is comprised similarly to the above-mentioned embodiment, the same code | symbol is attached | subjected to the same structure, and a characteristic part is demonstrated.

【0050】図8において、加速度センサー20は、振
動板12および圧電素子13を備えて、上述実施形態に
おける固定側ケース11と、接続側ケース16と、Oリ
ング18とに代えて、固定側ケース21、金属ベース2
2と、コネクタ26と、Oリング28とを組み立てるこ
とにより作製されており、図11に示す従来技術と同様
に、振動板12上に検出電極14を形成した圧電素子1
3を接着して、エンジン等の検出対象の振動を振動板1
2を介して圧電素子13に与えられる応力歪みによって
発生する圧電[V]として取り出し、加えられた加速度
を検出するようになっている。
In FIG. 8, an acceleration sensor 20 includes a diaphragm 12 and a piezoelectric element 13, and replaces the fixed case 11, the connection case 16, and the O-ring 18 in the above embodiment with a fixed case. 21, metal base 2
2, a connector 26, and an O-ring 28, and a piezoelectric element 1 having a detection electrode 14 formed on a diaphragm 12 as in the prior art shown in FIG.
3 and the vibration of the detection target such as the engine
The piezoelectric element is taken out as piezoelectric [V] generated by stress strain applied to the piezoelectric element 13 via the second element 2, and the applied acceleration is detected.

【0051】固定側ケース21は、従来技術と同様に、
底面中央に支柱を立設されることなく、上述実施形態に
おける固定側ケース11よりも深めの円筒枠形状に金属
材料により形成されており、その下面にエンジンなどの
検出対象に設けられているねじ穴に螺合させて固定する
雄ねじ21bを設けられている。金属ベース22は、圧
電素子13の反対側の振動板12に溶接する支柱22a
を中央に立設された固定側ケース21と略同径の円盤形
状に形成されており、コネクタ26は、コネクタ部26
aおよび円盤部26bの中央に貫通する接続ピン17を
金属ベース22などから電気的に絶縁するように樹脂材
料により形成されている。この加速度センサー20は、
金属ベース22およびコネクタ26が接続側ケースを構
成しており、固定側ケース21の開放端面21c上に金
属ベース22を溶接するとともに、その上にコネクタ2
6を重ねて、開放端外縁の延長部21dをかしめてコネ
クタ26角部の上面を押さえることにより、振動板12
および圧電素子13を収装する振動空間Vを画成する。
なお、Oリング28は、固定側ケース21の開放端延長
部21d内面と金属ベース22の外面との間に挟み込ま
れて防水性を確保する。
The fixed case 21 is, as in the prior art,
A pillar provided at the center of the bottom surface is made of a metal material in a cylindrical frame shape deeper than the fixed side case 11 in the above-described embodiment, and a screw provided on a lower surface of the detection target such as an engine. A male screw 21b screwed into the hole and fixed is provided. The metal base 22 includes a support column 22 a that is welded to the diaphragm 12 on the opposite side of the piezoelectric element 13.
Is formed in a disk shape having substantially the same diameter as the fixed side case 21 erected at the center.
The connection pin 17 penetrating through the center of the a and the disk portion 26b is formed of a resin material so as to be electrically insulated from the metal base 22 or the like. This acceleration sensor 20
The metal base 22 and the connector 26 constitute a connection side case. The metal base 22 is welded on the open end face 21 c of the fixed side case 21, and the connector 2
6 and press the upper surface of the corner portion of the connector 26 by caulking the extension portion 21d of the outer edge of the open end, so that the diaphragm 12
And a vibration space V in which the piezoelectric element 13 is accommodated.
The O-ring 28 is sandwiched between the inner surface of the open end extension 21 d of the fixed case 21 and the outer surface of the metal base 22 to ensure waterproofness.

【0052】一方、振動板12および圧電素子13は、
ドーナツ形状に形成されており、その中心に通した金属
ベース22の支柱22a内を貫通するコネクタ26の接
続ピン17と、圧電素子13の検出電極14とに接続円
盤25を半田25aにより導通固定することによって、
振動可能に支柱22aに支持させる。
On the other hand, the diaphragm 12 and the piezoelectric element 13
The connection disk 25 is conductively fixed to the connection pin 17 of the connector 26 and the detection electrode 14 of the piezoelectric element 13 which are formed in a donut shape and pass through the support 22a of the metal base 22 passing through the center thereof by the solder 25a. By
The support 22a is allowed to vibrate.

【0053】この加速度センサー20は、固定側ケース
21の底面に向かって接続円盤25が圧電素子13上面
よりも突出しているので、この振動板12および圧電素
子13の振動体19の振動空間Vにおける対向面間距離
L1、L2を上述実施形態と同様に設定できるように、
固定側ケース21の底面中央に窪み部21eを形成して
いる。
In the acceleration sensor 20, since the connection disk 25 protrudes from the upper surface of the piezoelectric element 13 toward the bottom surface of the fixed case 21, the vibration plate 12 and the vibration body 19 of the piezoelectric element 13 in the vibration space V In order to set the distances L1 and L2 between the facing surfaces in the same manner as in the above-described embodiment,
A recess 21 e is formed in the center of the bottom surface of the fixed case 21.

【0054】このため、この加速度センサー20では、
振動板12および圧電素子13を振動可能に収装する振
動空間Vは、金属ベース22と振動体19との間で振動
空間V1が画成されるとともに、固定側ケース11と振
動体19との間で振動空間V1が画成されて、それぞれ
の対向面間距離L1、L2は、固定側ケース21の内周
壁面の内径φAの0.1倍以下になるように設定されて
いる。
Therefore, in this acceleration sensor 20,
In the vibration space V in which the vibration plate 12 and the piezoelectric element 13 are accommodated so as to vibrate, a vibration space V1 is defined between the metal base 22 and the vibration body 19, and the vibration space V between the fixed case 11 and the vibration body 19 is formed. A vibration space V1 is defined therebetween, and the distances L1 and L2 between the opposing surfaces are set to be equal to or less than 0.1 times the inner diameter φA of the inner peripheral wall surface of the fixed case 21.

【0055】すなわち、この加速度センサー20でも、
上述実施形態の加速度センサー10と同様に寸法設計を
すればよく、振動板12および圧電素子13の振動方向
となる振動空間VのL方向を狭くした薄型に設定して、
効果的に、そのL方向および内径φA方向の定在波の発
生を防止することができ、ケース21や金属ベース22
やコネクタ26を共用化することができる。
That is, even with this acceleration sensor 20,
The dimensions may be designed in the same manner as the acceleration sensor 10 of the above-described embodiment, and the vibration space V, which is the vibration direction of the vibration plate 12 and the piezoelectric element 13, is set to be thin with the L direction narrowed.
The generation of standing waves in the L direction and the inner diameter φA direction can be effectively prevented.
And the connector 26 can be shared.

【0056】このように本実施形態においては、上述実
施形態による作用効果を同様に得ることができる。
As described above, in the present embodiment, the functions and effects of the above-described embodiment can be similarly obtained.

【0057】なお、上述する実施形態では、振動体19
の板厚Dが比較的薄い場合について説明するが、共振周
波数[fo]によっては板厚Dを厚く設定するものにも
適用することができる。また、振動体19の振動板12
の外径と圧電素子13の外径に差が大きい場合などに
は、対向面間距離L1、L2の基準をいずれにするか判
断に苦慮するが、各部の占める面積の大小等から影響度
を考慮して決定すればよいと考えられ、同様に、内径φ
A1、φA2に関しても同様に考えれば良い。
In the embodiment described above, the vibrating body 19
The case where the plate thickness D is relatively small will be described, but the present invention can be applied to a case where the plate thickness D is set to be large depending on the resonance frequency [fo]. Further, the diaphragm 12 of the vibrating body 19
When there is a large difference between the outer diameter of the piezoelectric element 13 and the outer diameter of the piezoelectric element 13, it is difficult to determine the reference of the distances L1 and L2 between the opposing surfaces. It is considered that it should be determined in consideration of
A1 and φA2 may be similarly considered.

【0058】[0058]

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、平面方
向の間隔に対して対向面間距離を0.1倍以下に設定さ
れたケース内の振動空間内に収装可能に、振動板および
圧電素子の外形を設計するだけで、ケース内部での音響
的定在波を防止するとともに、その振動空間を小さくし
て音響的共鳴周波数を使用帯域の上限外となるように構
成し、反共振のディップによるスプリアスの発生を低減
することができる。したがって、ケースを共通化するこ
とができ、低価格で高い性能を有する加速度センサーを
提供することができる。
As described above, according to the present invention, the diaphragm can be accommodated in the vibration space in the case in which the distance between the opposed surfaces is set to 0.1 times or less with respect to the interval in the plane direction. By simply designing the outer shape of the piezoelectric element, it is possible to prevent acoustic standing waves inside the case and reduce the vibration space so that the acoustic resonance frequency is outside the upper limit of the operating band. The generation of spurious due to the resonance dip can be reduced. Therefore, a common case can be used, and an acceleration sensor having high performance at low cost can be provided.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明に係る加速度センサーの第1実施形態を
示す図であり、その全体構成を示す縦断面図である。
FIG. 1 is a view showing a first embodiment of an acceleration sensor according to the present invention, and is a longitudinal sectional view showing the entire configuration thereof.

【図2】その音響的定在波の発生を説明する断面モデル
図である。
FIG. 2 is a cross-sectional model diagram for explaining generation of the acoustic standing wave.

【図3】その音響的共鳴の発生を説明する概念断面図で
ある。
FIG. 3 is a conceptual cross-sectional view illustrating generation of the acoustic resonance.

【図4】その音響的共鳴の発生を説明する断面モデル図
である。
FIG. 4 is a cross-sectional model diagram illustrating the generation of the acoustic resonance.

【図5】その図4のモデルにおける概略等価回路図であ
る。
FIG. 5 is a schematic equivalent circuit diagram in the model of FIG. 4;

【図6】その振動体を固定した場合の周波数の変化を示
すグラフである。
FIG. 6 is a graph showing a change in frequency when the vibrating body is fixed.

【図7】その内径を固定した場合の周波数の変化を示す
グラフである。
FIG. 7 is a graph showing a change in frequency when the inner diameter is fixed.

【図8】本発明に係る加速度センサーの第2実施形態を
示す図であり、その全体構成を示す縦断面図である。
FIG. 8 is a view showing a second embodiment of the acceleration sensor according to the present invention, and is a longitudinal sectional view showing the entire configuration thereof.

【図9】その従来技術を示す縦断面図である。FIG. 9 is a longitudinal sectional view showing the prior art.

【図10】その振動体を示す斜視図である。FIG. 10 is a perspective view showing the vibrating body.

【図11】その図9と異なる従来技術を示す縦断面図で
ある。
FIG. 11 is a longitudinal sectional view showing a conventional technique different from that of FIG. 9;

【図12】その周波数特性例を示すグラフである。FIG. 12 is a graph showing an example of the frequency characteristic.

【図13】その使用例を示す回路図である。FIG. 13 is a circuit diagram showing an example of its use.

【図14】その共振周波数fo近傍の特性を示すグラフ
である。
FIG. 14 is a graph showing characteristics near the resonance frequency fo.

【図15】その課題を説明するための共振周波数fo近
傍の特性を示すグラフである。
FIG. 15 is a graph showing characteristics near a resonance frequency fo for explaining the problem.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10、20 加速度センサー 11、21 固定側ケース 11a、22a 支柱 11c 円筒形状端部 12 振動板 13 圧電素子 14 検出電極 16 接続側ケース 17 接続ピン 19 振動体 21c 開放端面 22 金属ベース 26 コネクタ φA、φA1、φA2 内径 L1、L2 対向面間距離 V、V1、V2 振動空間 10, 20 Acceleration sensor 11, 21 Fixed side case 11a, 22a Column 11c Cylindrical end 12 Vibration plate 13 Piezoelectric element 14 Detection electrode 16 Connection side case 17 Connection pin 19 Vibration body 21c Open end face 22 Metal base 26 Connector φA, φA1 , ΦA2 Inner diameter L1, L2 Distance between opposing surfaces V, V1, V2 Vibration space

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 振動板に、平板形状に形成した圧電素子
を固設して、加えられた加速度に応じた前記振動板の振
動変形により前記圧電素子に発生する電圧によって前記
加速度を検出する加速度センサーであって、 前記圧電素子および前記振動板の振動方向の空間距離
を、前記圧電素子および前記振動板の平面方向の空間距
離の0.1倍以下になるように設定したケース内に、前
記圧電素子および前記振動板を収装したことを特徴とす
る加速度センサー。
An acceleration for fixing a piezoelectric element formed in a flat plate shape to a vibration plate and detecting the acceleration by a voltage generated in the piezoelectric element due to vibration deformation of the vibration plate according to the applied acceleration. A sensor, wherein the spatial distance in the vibration direction of the piezoelectric element and the diaphragm is set to be 0.1 times or less the spatial distance in the planar direction of the piezoelectric element and the diaphragm, An acceleration sensor including a piezoelectric element and the vibration plate.
【請求項2】 前記振動板を円盤形状に形成するととも
に前記圧電素子をドーナツ形状に形成して、前記圧電素
子を固設した前記振動板の中央部を、前記ケースの固定
側ケースに立設した支柱により支持させる一方、 前記圧電素子の電極に電気的に接続する接続用端子を前
記ケースの接続側ケースに配設し、 前記固定側ケースと前記接続側ケースの端部を嵌合する
ことにより、前記固定側ケースの前記振動板に対する対
向面間距離および前記接続側ケースの前記圧電素子に対
する対向面間距離を前記ケースの内径の0.1倍以下に
なるように設定した前記圧電素子および前記振動板の振
動空間を画成することを特徴とする請求項1に記載の加
速度センサー。
2. The vibration plate is formed in a disk shape and the piezoelectric element is formed in a donut shape, and a central portion of the vibration plate on which the piezoelectric element is fixed is erected on a fixed side case of the case. A connection terminal electrically connected to the electrode of the piezoelectric element is provided on the connection side case of the case, and an end of the fixed side case and the end of the connection side case are fitted. According to the piezoelectric element, the distance between the opposing surfaces of the fixed side case with respect to the diaphragm and the distance between the opposing surfaces of the connection side case with respect to the piezoelectric element are set to be 0.1 times or less the inner diameter of the case. The acceleration sensor according to claim 1, wherein a vibration space of the diaphragm is defined.
【請求項3】 前記振動板および前記圧電素子をドーナ
ツ形状に形成して、前記圧電素子を固設した前記振動板
の中央部を、前記圧電素子の電極に電気的に接続する接
続用端子を配設して外部コネクタと接続する、前記ケー
スの接続側ケースに立設した支柱により支持させ、 固定側ケースと前記接続側ケースの端部を嵌合すること
により、前記固定側ケースの前記圧電素子に対する対向
面間距離および前記接続側ケースの前記振動板に対する
対向面間距離を前記ケースの内径の0.1倍以下になる
ように設定した前記圧電素子および前記振動板の振動空
間を画成することを特徴とする請求項1に記載の加速度
センサー。
3. A connection terminal for electrically connecting a central portion of the diaphragm on which the piezoelectric element is fixed to an electrode of the piezoelectric element, wherein the diaphragm and the piezoelectric element are formed in a donut shape. Arranged and connected to an external connector, the case is supported by uprights erected on a connection side case of the case, and the fixed side case and the end of the connection side case are fitted to each other, whereby the piezoelectric of the fixed side case is fitted. The vibration space of the piezoelectric element and the vibration plate is set such that the distance between the opposing surfaces with respect to the element and the distance between the opposing surfaces of the connection side case with respect to the vibration plate are set to be 0.1 times or less the inner diameter of the case. The acceleration sensor according to claim 1, wherein:
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