JP2005164260A - 加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 検出信号の相殺を効果的に防止することができ、これによって十分な感度をもって加速度を検出することができる高い信頼性を備えた加速度センサを提供する。
【解決手段】 ダイヤフラム１１に圧電素子１２が接合され、中心の下面に重錘２０が固定された基板１０を、ハウジング３０に固定する。基板１０の上面に剛体のストッパ４０を密着させ、基板１０の上方への変形をストッパ４０によって規制し、圧電素子１２の検出電極１２ａに発生する電荷の相殺を防止する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧電素子等を利用して加速度を検出する加速度センサに係り、特に、物体の３次元的な全ての方向の振動を検出する型式の加速度センサに関する。

加速度センサは、自動車等の機械産業や、家電品、日用品等、あらゆる分野で広く用いられており、例えば、自動車に装備されるエアバッグの衝撃センサや洗濯機の振動センサ、あるいは防犯センサや歩数計等に利用されている。この種の加速度センサは、検出方向の違いにより、１方向（Ｘ軸方向）あるいは３方向（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の各方向）等の一定の方向を検出する加速度センサと、あらゆる方向への加速度を検出して方向の関係無しに加速度のみを検出する無方向性の加速度センサに分けられる。また、検出方式としては、静電容量型や圧電型等が採用されているが、軽量かつ低コストで製造可能である観点から、圧電型が多い。例えば下記特許文献１には、圧電型の無方向性加速度センサ（衝撃センサ）が記載されている。

特開平９−２６４３０号

圧電型加速度センサは、例えば、水平なダイヤフラムの下面に重錘を固定し、上下面のうちの少なくとも一方の面に圧電素子を接合した基板を備えており、加速度を受けることによって慣性力が生じた重錘がダイヤフラムに歪み（変形）を生じさせ、これによって圧電素子の電極に発生した電荷に基づく加速度を検出する。ところで、水平方向（ダイヤフラムの面方向に沿ったＸ軸方向あるいはＹ軸方向）の加速度検出用の電極は、重錘を中心として、対称位置あるいは対称形状に設け、かつ、分極方向を逆にした構成が一般的である。

ここで、１方向の加速度を検出するための電極の分極方向を重錘の両側で互いに逆にすることにより、それら電極から発生する電荷が相殺されることを防止しているが、加速度の方向によっては、電荷が相殺されてしまい、正しい加速度が検出されない場合がある。そこで、上記文献の衝撃センサでは、電極の面積を非対称的に異ならせることにより、電極に生じる電荷が完全に相殺されないようにしている。しかしながら、この方式でも発生する電荷の相殺を完全に防止するには至らず、相殺されなかった電荷が出力されるようにしていることから、相殺が起こった際の感度が劣り、このため信頼性に欠けるものであった。

よって本発明は、検出信号の相殺を効果的に防止することができ、これによって十分な感度をもって加速度を検出することができる高い信頼性を備えた加速度センサを提供することを目的としている。

本発明は、ダイヤフラムに検出部が接合された基板と、この基板の一方の面に設けられた重錘とを備えた加速度センサにおいて、基板の重錘が設けられた側とは反対側の他方の面側に、少なくとも重錘の周縁に対応するダイヤフラムの歪み発生部分に当接して、該基板の他方の面側への突出を規制するストッパが配置されていることを特徴としている。本発明での上記検出部としては、圧電素子が挙げられる。

本発明の加速度センサによれば、加速度を受けると、慣性力が生じた重錘が加速度の方向にしたがい揺動あるいは移動し、これによって、基板のダイヤフラムに歪みが生じ、その歪みが検出部で検出され、歪みに応じた検出信号が検出部から出力される。ダイヤフラムの歪み発生部分は、重錘の周縁に対応する部分であるが、その歪み発生部分が重錘の設けられた側とは反対側に歪もうとしても、その歪みはストッパによって規制される。すなわち、ダイヤフラムは重錘が設けられた側に変形する。従来技術で課題となっていた発生電荷の相殺は、ダイヤフラムが重錘を中心として両面双方の方向に対称的に変形することによって起こるものであったが、本発明のダイヤフラムは、片面側すなわち重錘が設けられた側とは反対面側は変形が規制されるので、相殺を効果的に防止することができる。

本発明のストッパとしては、基板の片面側の少なくともダイヤフラムの歪み発生部分に対応する部分を押さえる構成でよいが、基板の全面を覆って押さえるものであってもよい。この形態では、基板の片面全面を押さえることができるので、本発明の上記作用を、より確実に得ることができる。

本発明の加速度センサによれば、ダイヤフラムの片面側への歪みを規制し、一方の面側への歪みを許容する構成としたので、検出信号の相殺を効果的に防止することができ、これによって十分な感度をもって加速度を検出することができるので、高い信頼性を有するといった効果を奏する。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
図１は一実施形態に係る圧電型の無方向性加速度センサ１の概略を示す縦断面図、図２はその下面図である。この加速度センサ１は、水平に配される基板１０と、この基板１０の下面中央に接合された重錘２０と、基板１０を支持するハウジング３０と、基板１０の上面に当接されるストッパ４０とを備えている。

図１および図３に示すように、基板１０は、正方形状であって、ステンレス等の金属製薄板からなるダイヤフラム１１の下面に、ダイヤフラム１１と同形状・同寸法のセラミックス製の圧電素子（検出部）１２を接合したものである。圧電素子１２は、基板１０の中心と同心的な環状の検出電極１２ａを有し、さらに、図３に示すように、端子１２ｂと、この端子１２ｂと検出電極１２ａを連絡する配線電極１２ｃを有している。基板１０のダイヤフラム１１に歪みが生じると、検出電極１２ａに電荷が発生し、その電荷は、端子１２ｂに接続されている増幅回路で増幅され、増幅された電荷は加速度信号出力器に供給されて処理され、この加速度信号出力器から加速度信号が出力される（増幅回路および加速度信号出力器は図示略）。出力される加速度信号は、検出電極１２ａの歪みに応じたものであって方向性は示さず、圧電素子１２によって検出されるＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向のあらゆる方向に生じる加速度を表す。

重錘２０は、ステンレス等の金属製で円柱状に形成されており、所定の重量を有するもので、軸方向を基板１０の面に直交させて、軸心を基板１０の中心に一致させて、基板１０の下面の圧電素子１２に、接着等の手段により接合されている。このように重錘２０が固定された基板１０は、重錘２０を下方に配した状態で、縁部がハウジング３０の上端面に固定されている。ハウジング３０は、外形が直方体状で、中央に円筒状の透孔３１が形成されたもので、この透孔３１の内径は、検出電極１２ａの直径よりもやや大きく設定されている。基板１０はハウジング３０の上端面に接着等の手段により接合され、この状態で、図２に示すように、重錘２０、検出電極１２ａ、ハウジング３０の透孔３１は、同心的に配される。当該加速度センサ１は、ハウジング３０が所定の機器に固定されて使用される。

ストッパ４０は、例えばステンレス等からなる金属製プレートによって、ハウジング３０の上面外形に対応した正方形状に形成されたもので、その下面が基板１０の上面全面を覆って密着している。ストッパ４０は、例えばハウジング３０に固定されるなどの手段によって、その基板１０の上面に下面が密着する状態が常に保持されている。この状態で、基板１０はストッパ４０とハウジング３０との間に挟まれており、ダイヤフラム１１の歪み発生領域は、ハウジング３０の透孔３１に面する円形部分とされる。ストッパ４０は、加速度を受けて変形する基板１０から応力を受けても全く変形せず、基板１０の上方への変形を押さえる剛性を有している。

以上が加速度センサ１の構成であり、この加速度センサ１によれば、加速度を受けると、その加速度の方向にしたがって、慣性力が生じた重錘２０により基板１０のダイヤフラム１１に歪みが生じ、その歪みに応じた電荷が圧電素子１２の検出電極１２ａに生じる。そしてその電荷は上記増幅回路から加速度信号検出器に供給され、この加速度信号検出器から、発生した電荷に基づく加速度信号が出力される。以下に、水平方向（Ｘ軸方向およびＹ軸方向）と鉛直方向（Ｚ軸方向）の加速度検出の作用を説明する。

加速度センサ１が、基板１０の面方向に沿った水平方向を含む方向に加速度を受けた場合、重錘２０は水平方向の加速度にしたがって揺動するが、そのとき、ダイヤフラム１１を含む基板１０は、固定状態のストッパ４０が上面に密接していることから、上方への歪みは起こらない。すなわち図４（ａ）に示すように、Ｘ方向に加速度を受けた場合、重錘２０は、基板１０への固定部分である上端面の周縁であって、加速度方向の端部（図４（ａ）中符号２０ａで示す左端部）を支点として揺動する。これは、基板１０が上方へ変形することがストッパ４０で阻止されているからに他ならず、基板１０は、端部２０ａの１８０°反対側に位置する周縁の端部（歪み発生部分）２０ｂを中心として、重錘２０側である下方にのみ突出する歪みが生じる。

図４（ｂ）は、加速度センサ１が−Ｘ方向に加速度を受けた場合を示しており、この場合では、図４（ａ）とは逆に、重錘２０は端部２０ｂを支点として揺動し、基板１０は端部２０ａの歪み発生部分を中心として下方にのみ突出する歪みが生じる。なお、図４ではＸ軸方向についての作用を示しているが、Ｘ軸に直交する水平方向のＹ軸方向でも同じ作用を示すので、Ｙ軸方向についての説明は省略する。

ストッパ４０が存在しない場合、すなわち従来周知の一般的な構成であれば、重錘２０の揺動は基板１０への固定面である上端面の中心を支点として起こり、歪みによる基板１０の突出は、その支点を中心として上下に点対称的に生じていた。発生する電荷の相殺は、このように上下双方に歪みが突出することに起因して起こるものであったが、本実施形態では、上方への基板１０の突出がストッパ４０によって阻止され、下方側にしか歪みが生じないので、重錘２０の両側において検出電極１２ａに生じる電荷の相殺が完全に防止される。その結果、十分な感度をもって加速度を検出することができる。

次に、図５に示すように、加速度センサ１がＺ方向（鉛直上方）に加速度を受けると、重錘２０は慣性力にしたがって相対的に真っ直ぐ下方に移動し、これに伴って基板１０は下方に歪み、その歪みに応じた電荷が検出電極１２ａに発生してＺ方向の加速度が検出される。ここで、加速度センサ１が静止状態から−Ｚ方向に加速度を受けた場合、重錘２０は相対的に上方に移動しようとするものの、その動きはストッパ４０によって阻止されるが、加速度が零になった時点で、重錘２０は慣性力により下方に移動して図５と同じ状態になり、さらに、上下方向への振動が重錘２０に発生する。したがって、Ｚ軸方向では、Ｚ軸方向に生じる振動、あるいは加速度を受けた時点の衝撃を、加速度として検出することができる。

また、他の実施形態として、相殺による影響は受けるものの、加速度の検出レベル（例えば１Ｇ、１０Ｇ、５０Ｇ）に応じて、基板１０に対し僅かな間隙を設けてストッパ４０を平行に配置することにより、微振動等の検出不要なノイズを効果的にキャンセルし、必要な加速度のみを検出するように構成することができる。この場合の基板１０とストッパ４０との間隙は、検出レベルの加速度を受けたときに基板１０とストッパ４０とが確実に当接する距離に設定される。

なお、本発明のストッパとしては、基板１０の片面（上記実施形態では上面）側の少なくともダイヤフラム１１の歪み発生部分に対応する部分（上記実施形態では図４で示した端部２０ａ，２０ｂ付近）を押さえる構成でよい。しかしながら、上記実施形態のストッパ４０のように基板１０の片面全面を覆って押さえる構成とすることにより、基板１０の片面側への変形が確実に押さえられ、もって発生電荷の相殺を効果的に防止することができる。

上記実施形態では、基板１０の下面に圧電素子１２を接合した例を示したが、圧電素子１２を、ダイヤフラム１１とストッパ４０との間に挟み込むように基板１０の上面に接合しても、同様の効果を得ることができる。さらに、本実施形態では、重錘２０を圧電素子１２に接合した例を示したが、重錘２０をダイヤフラム１１に接合するか、またはダイヤフラム１１と一体に成形し、ダイヤフラム１１上であって重錘２０の周囲部に圧電素子１２を接合した構成としてもよい。また、検出部として圧電素子１２を使用した圧電型加速度センサの例を示したが、ピエゾ抵抗素子を用いて抵抗値の変化によりダイヤフラム１１に生じる歪みを検出するピエゾ抵抗素子を用いて、抵抗値の変化によりダイヤフラム１１に生じる歪みを検出するピエゾ抵抗型加速度センサにも適用することができる。

本発明の一実施形態に係る加速度センサの縦断面図である。 一実施形態に係る加速度センサの下面図である。 一実施形態に係る加速度センサの基板の下面図である。 水平方向の加速度を受けた場合の加速度センサの作用を示す側面図である。 鉛直方向の加速度を受けた場合の加速度センサの作用を示す側面図である。

符号の説明

１…加速度センサ、１１…ダイヤフラム、１２…圧電素子（検出部）、
１０…基板、２０…重錘、４０…ストッパ。

Claims (3)

1. ダイヤフラムに検出部が接合された基板と、この基板の一方の面に設けられた重錘とを備えた加速度センサにおいて、
   前記基板の前記重錘が設けられた側とは反対側の他方の面側に、少なくとも前記重錘の周縁に対応する前記ダイヤフラムの歪み発生部分に当接して、該基板の他方の面側への突出を規制するストッパが配置されていることを特徴とする加速度センサ。
2. 前記ストッパは、前記基板の前記他方の面の全面を覆って当接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. 前記検出部が圧電素子であることを特徴とする請求項１または２に記載の加速度センサ。
   
   

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