JP2524518B2

JP2524518B2 - 加速度センサ

Info

Publication number: JP2524518B2
Application number: JP63244519A
Authority: JP
Inventors: 勝吾浅野; 寿平高橋; 興宣桜田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1988-09-30
Filing date: 1988-09-30
Publication date: 1996-08-14
Anticipated expiration: 2011-08-14
Also published as: JPH0293370A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、内燃機関で走る車の加速度等を測定または
検出するための加速度センサに関するものである。

（従来の技術）従来、この種の加速度センサは、圧電セラミックを使
用しており、かつ加速度検出で必要な周波数が低い（0.
2〜200Hz）ため、インピーダンス変換回路を備えてい
る。

次に、上記従来例の動作について説明する。第７図に
おいて、71は圧電セラミックで、片持梁にカットされて
いる。72はインピーダンス変換回路であり、圧電セラミ
ック71のインピーダンスを小さい抵抗値に変換してい
る。片持梁になっている圧電セラミック71を固定してい
る筐体に加速度が加わると、圧電セラミック71の片持梁
はたわみ、加速度に比例した電圧を発生する。この発生
電圧をそのまま送ると、圧電セラミックのインピーダン
スが大きいため、誘導ノイズを受けたり、受け回路の入
力インピーダンスが小さいと損失が大きくなり、結果的
に出力電圧が小さくなって使いものにならなくなる。こ
れを改善するため、インピーダンス変換回路を圧電セラ
ミック71の近くに置き、つまり加速度センサの中に入
れ、低い出力インピーダンスにして発生電圧をセンサの
外へ送っている。インピーダンス変換回路の入力抵抗は
少なくとも10MΩ以上にする必要があり、そのため、電
界効果トランジスタ（FET）を使用しており、FETを使う
故にラッチアップ現象をなくするためにFETの入力に純
抵抗Ｒを付ける必要があり、この純抵抗Ｒにより低周波
測のカットオフ周波数が決定される。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、上記従来の圧電型加速度センサでは、
特に1Kz以下の超低周波領域の加速度を測定する場合、
周囲温度の影響を受け、周囲温度に比例した電荷が発生
し（これを焦電現象という）、ノイズとなっていた。そ
して、この焦電現象を補償する手段を従来のセンサでは
欠いていた。

また、圧電素子部に劣化，オープン，ショートなどの
故障を生じた場合、それらを検出する手段を有していな
かった。

（課題を解決するための手段）本発明は上記２つの問題を解決するため、まず、圧電
ディスク中心固定型構造を採用し、振動板の表裏面にそ
れぞれセンサ出力用と焦電キャンセル用の２枚の圧電素
子を貼り付け、リード線で接続することによって、周囲
温度変化に対する焦電現象が特性に与える影響をキャン
セルするようにした。いうまでもなく、焦電キャンセル
用圧電素子に発生する温度の変化により増減する電荷
は、センサ出力用圧電素子に温度の変化により増減する
電荷と同程度のものとする。

次に、センサ出力用の圧電素子の電極を２つに分割し
て、その一方を駆動用電極とし、電気信号を印加して他
方の圧電素子電極からの出力値をチェックすることによ
って、センサフェイルを検出するようにしている。

（作用）上記の如く本発明によれば、一方の圧電素子のセンサ
出力に混じている焦電現象が他方の圧電素子の出力によ
ってキャンセルされるから、正確な加速度の検出，測定
ができ、また、センサ出力用の圧電素子の電極を２分
し、一方の駆動用電極に電気信号を印加してやれば、他
方の電極に生じる出力値によってセンサが正常に作用し
ているかどうかを検出することができる。

（実施例）以下、本発明の一実施例について説明する。

第１図ないし第６図において、基台１の片面中央部に
形成された位置決め孔25を有する突起部１′に、振動板
４が中央部で溶接などの手段によって固定され、振動板
４の上面に、表面の＋電極がセンサ出力＋電極14と圧電
素子駆動用＋電極15とに２分割され、裏面にも−電極２
が形成された圧電セラミック素子５が、振動板４の中央
部に形成されたビード10の外周に導通接着固定されてい
る。また、振動板４の下面には、上記上面圧電セラミッ
ク素子５のセンサ出力の＋電極14と同じ面積の−電極３
を貼合せ面と反対の側に有する焦電キャンセル用圧電セ
ラミック素子６が振動板４に形成されたビード10′の外
周に導通接着されているとともに、上記センサ出力＋電
極14と焦電キャンセル素子６の−電極３とがリードフレ
ーム７′にて30および31の箇所で半田接続され、絶縁埋
込みリードピン９と回路基板11を介して出力リードピン
12へと接続されている。これは周囲温度の影響を受け
て、焦電現象によってセンサ出力＋電極14に発生した電
荷を焦電キャンセル用圧電セラミック素子の−電極３に
発生した電荷でキャンセルする役目を果たすものであ
る。また、圧電セラミック素子６の接着面には＋電極８
が形成されており、振動板４と導通接着されている。

振動板４には同心円状にビード10,10′が形成されて
おり、剛性向上と接着剤流れ防止の役目を果たしてい
る。振動板４′（第６図）のように外周部を絞り、出力
アップを図った形状のものでもよい。

13は素子駆動用リードピンであり、リードフレーム
７″を介して圧電セラミック素子５に形成された圧電素
子駆動用＋電極15に半田29で半田付け接続されている。
16は回路基板11の電源供給リードピン、17はグラウンド
用リードピンであり、それぞれ回路基板11に接続されて
いる。18,19は回路基板11を支持するための絶縁埋込み
リードピンである。

以上のリードピン9,12,13,16,18,19は基台１に封着ガ
ラス23などによって絶縁ハーメチック固定されており、
グラウンド用リードピン17だけがロウ付けなどの手段に
よって導通接続されている。

24は突起部１′にあいた位置決め孔25を封着するため
の封着ガラスである。

20はキャップであり、キャップ固定部21で基台１に全
周抵抗溶接または全周冷間圧接などの手段によって固定
されている。従って、圧電セラミック素子5,6および回
路基板11を内蔵する空間部22は密封されている。

回路基板11の回路部は、インピーダンス変換，出力の
増幅，波を目的とするものである。

このような構成を有する加速度センサは、基台１に形
成されたネジ孔26を介してボルト27,ワッシャ28を介し
て自動車に取付けられるものである。

加速度の検出径路は下記の通りである。

自動車に発生した加速度は、基台１を介して振動板４
に伝播されて振動板４にたわみを与える。振動板４のた
わみは圧電セラミック素子に引張力と圧縮力とを交互に
与えるため、圧電セラミック素子5,6に電荷が発生す
る。この電荷は回路基板11に形成されたインピーダンス
変換回路で電圧に変換され、必要な帯域、最適な出力レ
ベルにされて波回路，増幅回路を通ってセンサ出力が
得られることになる。

また、圧電セラミックは温度変化に対しても同様に電
荷を発生する（焦電現象）が、圧電セラミック素子5,6
は逆極性にしてあり、発生電荷がキャンセルされ、上記
の焦電現象の影響が少なくなる。

なお、これらの加速度センサは自動車用を目的として
いるため、信頼性の要求が激しい。そのため、故障して
いるかどうかをコントローラ側でチェックできるように
するため、圧電セラミック素子５の電極が分割されてお
り、コントローラ側の発振回路から圧電素子駆動用＋電
極15に適当な信号を駆動入力として入れてやれば、セン
サ出力＋電極14にそれに対応した駆動電力が現われ、セ
ンサの故障診断が可能となる。

回路部は電源供給リードピン16およびグランド用リー
ドピン17から電源が供給され、駆動されることとなる。

（発明の効果）本発明の主たる効果は２つあり、その１つは振動板の
表裏両面に正負電極を背中合わせに２枚の圧電セラミッ
ク素子を接着し、温度変化に基づき２枚の圧電セラミッ
ク素子に生じる電荷を互いにキャンセルし、いわゆる焦
電効果によるノイズを無くすることができることであ
り、その２つ目はセンサ用圧電セラミック素子を振動電
極とセンサ出力電極とに分割し、駆動電極に適当な駆動
信号を入れ、センサ出力電極に生じる出力の状態によっ
てセンサが正しく動作しているかどうかをチェックする
ことができることである。

以上のほか、実施例について見れば、次のような効果
を有している。

回路部を内蔵し、信号線の取出しを、基台にハーメチ
ック植設されたリード線を介して行ない、キャップを全
周抵抗溶接などの手段によって固定することによって、
トランスデューサおよび回路部を完全密封構造とし、信
頼性の向上が図られる。

回路部をトランスデューサの上部に配置することによ
って、回路基板と外部リードピンとの接続作業が容易と
なるとともに、全体の小型化が図れる。

振動板形状として、中央部の表裏にそれぞれ同心円状
にビードを形成することによって、振動板の剛性向上と
圧電セラミック接着時の接着剤流れ防止が図れる。

振動板外周部に絞り加工を施して付加マスをつけ、セ
ンサ出力の増加が図られ、S/Nを向上することができ
る。

出力，駆動素子の分割を同心円状に形成するととも
に、駆動電極を外側に、出力電極を内側に配置すること
によって、外部励振時のセンサ出力と電気駆動時の駆動
出力の両方が大きくとれる。

圧電セラミック電極からの信号引出し法として、プレ
ス成形されたリードフレームを用いることによって、接
続作業の大幅な安定化が図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第６図は本発明の実施例を、第７図は従来
の加速度計の構成の一部を示し、第１図（ａ）は加速度
センサ上面断面図、第１図（ｂ）は同正面断面図、第１
図（ｃ）は同側面断面図、第２図（ａ）は第１図の一部
詳細を示す上面図、第２図（ｂ）は第１図の一部詳細を
示す正面断面図、第３図，第４図は本発明で使用する圧
電セラミック素子を示し、それぞれの（ａ）は上面図、
（ｂ）は側面図、（ｃ）は下面図、第５図（ａ），第６
図（ａ）は本発明で使用する振動板の上面図、第５図
（ｂ），第６図（ｂ）は同上振動板の側面断面図であ
る。１…基台、１′…突起部、２…圧電セラミック素子５の
−電極、３…焦電キャンセル用圧電素子６の−電極、４
…振動板、５…圧電セラミック素子、６…圧電セラミッ
ク素子（焦電キャンセル用）、7,7′,7″…リードフレ
ーム、８…圧電セラミック素子６の＋電極、９…リード
ピン、10,10′…ビード、11…回路基板、12…出力リー
ドピン、13…素子駆動用リードピン、14…センサ出力＋
電極、15…圧電素子駆動用＋電極、16…電源供給リード
ピン、17…グラウンド用リードピン、18,19…絶縁埋込
みリードピン、20…キャップ、21…キャップ固定部、22
…空間部、23,24…封着ガラス、25…位置決め孔、26…
ネジ孔、27…ボルト、28…ワッシャ、29,30,31…半田。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭61−56920（ＪＰ，Ａ) 実開昭53−155375（ＪＰ，Ｕ) 特公昭59−11841（ＪＰ，Ｂ１) 米国特許2808522（ＵＳ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】片面中央部に環状突起を有する基台と、中
央部が上記突起に固定された振動板と、この振動板の表
裏両面に正負電極を背中合わせにして接着された２枚の
圧電セラミック素子を有し、その一方の圧電セラミック
素子の出力により他方の圧電セラミック素子に生じる焦
電現象をキャンセル可能にするとともに、他方の圧電セ
ラミック素子を駆動素子と出力素子とに分割し、駆動素
子に駆動電極を設け、また出力素子に出力電極を設け
て、出力電極の出力によりセンサ動作状態を検出可能に
したことを特徴とする加速度センサ。