JP4455484B2 - 加速度センサ - Google Patents

Description

本発明は、歩数計等に使用される加速度センサに関し、更に詳しくは、板バネを用いて加速度感応方向に変位可能に支持された圧電素子により加速度を検出する方式の加速度センサに関する。

加速度センサとしては様々な方式のものがある。その一つが、板バネを用いて加速度感応方向に変位可能に支持された圧電素子により加速度を検出するものである。この方式の加速度センサは、例えば特許文献１に記載されており、構造が簡単で低コストであるために歩数計等に使用されている。この方式の加速度センサの従来の構造例を図５により説明する。

特開平５−１８０８６５号公報

図５に示された加速度センサでは、基板１の上に板バネ２を介して圧電センサ３が取付けられている。板バネ２は、基板１の表面に直角な状態で、その基板１の表面に沿って延びる横向きの短冊状の金属板からなり、基端部を支点として基板１の表面に沿って撓むように、その基端部が基板１の表面にハンダ付けにて固定されている。

圧電素子である圧電センサ３は、板バネ２の自由端側の一方の端部表面に貼着されており、基板１とはフレキシブルなリード線４を介して電気的に接続されている。この圧電センサ３は、板バネ２及び基板１上のセンサアンプ回路５などと共に、シールドケース６により覆われ、磁気的、機械的に保護されている。シールドケース６は、底面が開放した金属製の角箱であり、爪止め或いはハンダ付けなどの周知の手段で基板１上に固定されている。

感応方向である基板１の表面に平行な方向、特に板バネ２に直角な方向の加速度を受けると、板バネ２が撓み、圧電センサ３が感応方向に変位する。この変位が圧電センサ３に検知されることにより、加速度が検出される。

このような従来の加速度センサにおいては、主要部品である板バネ２に関連して次のような２つの問題がある。

一つは、独立した部品である板バネ２の使用による部品点数の増加である。二つ目の問題は、その独立した板バネ２を基板１に取付けるときにハンダ付けを用いるが、そのときの熱が、板バネ２に取付けられている圧電センサ３に伝わり、圧電センサ３の性能を劣化させる懸念があることである。

すなわち、圧電センサ３が付いた板バネ２を基板１に搭載するような場合の組立時の手順としては、まず圧電センサ３を板バネ２に取付け、その板バネ２を基板１に取付るという原則がある。加えて、金属板からなる板バネ２の熱伝導性は非常に良好である。このため、板バネ２を基板１にハンダ付けするときの熱で、圧電センサ３の性能が劣化する危険があるのである。また、この熱影響のためキューリー点の低い圧電センサを使用することが難しく、センサ性能が制限される問題もある。

本発明はかかる事情に鑑みて創案されたものであり、その目的は板バネを使用しつつも、従来センサより部品点数を低減でき、しかも板バネの取付けに伴う圧電素子の熱的な影響を回避できる高性能で経済性に優れた加速度センサを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る加速度センサは、加速度感応方向に変位可能に支持された圧電素子により加速度を検出し、且つその圧電素子を導電性の弾性材料からなるシールドケースにより保護した加速度センサにおいて、前記シールドケースの一部を舌状に切り抜いて片支持式の板バネ部を形成し、その板バネ部に前記圧電素子を取付けたものである。

本発明に係る加速度センサにおいては、圧電素子を変位可能に支持する板バネをシールドケースに一体的に形成しているので、板バネとしての独立した部品は不要である。シールドケースは大きく、基板への取付けを仮にハンダ付けで行ったとしても、圧電素子への熱的影響は軽微であり、シールドケースの取付けにフックなどの係合手段を用いれば、圧電素子への熱的影響は皆無となる。

シールドケースは、底面が開放しており、その底面がセンサアンプ回路を搭載し且つシールド部材を兼ねる底板兼用の基板により閉止される構成が好ましい。シールドケースの底面開口部を閉止する底板が、基板及びシールド部材を兼ねるために構成が簡単になり、シールド効果も高い。

シールドケースの底板を兼ねる基板は、信号出力端子部を有し、該信号出力端子部は、前記シールドケースに取り付けられた圧電素子の信号出力端子部と電気的に接続される接続構造が好ましい。この接続構造により、シールドケースの底板を兼ねる基板を介して、圧電素子の出力信号が取り出され、構成が簡単になる。

前記接続構造において、シールドケースは基板に沿う天板部に板バネ部を有し、圧電素子はその板バネ部に出力端子部が板バネ部の固定端側に位置するように取り付けられ、基板はシールドケースとの組合せに伴って圧電素子の信号出力端子部に弾性的に接触するバネ形式の信号取り出し片を有する構成が好ましい。この構成によると、圧電素子と基板との電気的接続が、シールドケースと基板との組合せにより実現され、ハンダ付けが必要なリード線による接続が不要となる。

ここにおける信号取り出し片は、一端部が基板側に固定される固定端であり、他端部が圧電素子の信号出力端子部に圧接する自由端である片支持式の板バネが、構造が簡単で信頼性が高く好ましい。

本発明に係る加速度センサは、圧電素子を変位可能に支持する板バネがシールドケースに一体的に形成された構成を採用するので、板バネとしての独立した部品が不要であり、部品点数の減少、これによる組立工数の減少により、製造コストを低減できる。シールドケースは熱的容量が大きく、基板とのハンダ付けに伴う圧電素子への熱的影響を著しく低減できる。このため、熱的影響による性能劣化を防止することができると共に、キュリー点の低い圧電素子を使用できるようになり、性能を向上させることもできる。

以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態を示す加速度センサの外観を示す斜視図、図２は同加速度センサの内部構造を示す分解斜視図、図３は同加速度センサの内部構造を示す横断平面図、図４は同加速度センサの回路構成を示す電気回路図である。

本実施形態に係る加速度センサは、図１に示すように、厚みが薄い角箱形状あり、主基板１０の上にその厚み方向が主基板１０の表面に平行な加速度感応方向と一致する向きに実装される。すなわち、この加速度センサにおいては、厚み方向が加速度感応方向であり、主基板１０の表面に対して平行とされるのである。この加速度センサは、図２及び図３に示すように、底面が開放した角箱状のシールドケース２０と、シールドケース２０内に取付けられた圧電素子３０と、シールドケース１０の底面開口部を塞ぐ蓋板を兼ねる四角形の基板４０とを具備している。

シールドケース２０は、アルミニウムなどの導電性で且つ非磁性の金属板からなり、天板部２１が主基板１０に垂直となる横向き姿勢で使用される。シールドケース２０の天板部２１には、当該天板部２１の中央部をコ字状に切り抜いて形成したコ字状のスリット２５により、片支持式の板バネ部２２が一体的に形成されている。この板バネ部２２は、天板部２１に平行で且つ主基板１０に沿って延びる横向きの短冊状板材からなり、その一端部は天板部２１の一側部と一体化された固定端であり、他端部は天板部２１の他側部から分離した自由端である。シールドケース２０の開口縁部、特に両側の側板部２３，２３の端面には、基板４０との固定のためのフック状の係合部２４，２４が突設されている。

圧電素子３０は、シールドケース２０の板バネ部２２とほぼ同じ長方形状の板状部材であり、板バネ部２２の内面に導電性接着剤等により電気的に導通した状態で接合されている。この圧電素子３０は、接合面と反対側の表面に平坦な接点状の信号出力端子部３１を有しており、この信号出力端子部３１は板バネ部２２の固定端側に位置している。

基板４０は、シールドケース２０の底面開口部を塞ぐべくその底面に装着され、主基板１０に対しては垂直姿勢で使用される。シールドケース２０への固定のために、基板４０の両側の側縁部には、シールドケース２０の係合部２４，２４が嵌合する切り込み状の凹部４１，４１が設けられている。この基板４０は、シールド機能付与のためと接地のために裏面（反ケース側の面）の略全体にメタライズ加工が施されており、シールドケース２０と組み合わせハンダ付けで固定することにより、そのメタライズ部がシールドケース２０と電気的に接続されてケース内の全体を金属シールドする。

基板４０の表面（ケース側の面）には、短冊状の金属板からなる信号取り出し片５０が、シールドケース２０の板バネ部２２及び圧電素子３０に対応して取付られている。信号取り出し片５０は、板バネ部２２の自由端に対応する端部が基板４０に固定された固定端であり、板バネ部２２の固定端に対応する端部が自由端とされた片支持式の板バネであり、基板４０をシールドケース２０に組み合わせた状態で自由端が圧電素子３０の信号出力端子部３１に圧接するように、基板４０から離れる方向へ傾斜して基板４０に取付けられている。

基板４０の表面には更に、圧電素子３０と共に加速度センサを構成するのに必要なセンサアンプ回路６０などが実装されている。センサアンプ回路６０は、同じく基板４０の裏面に取付られた信号取り出し片５０の固定端と電気的に接続されている。一方、基板４０の裏面には、信号出力端子部４２、電源入力端子部４３及び接地端子部４４が下縁部に位置して設けられている。信号出力端子部４２は、センサアンプ回路６０の信号出力端子部と電気的に接続されている。

次に、本実施形態に係る加速度センサの組立方法及び使用方法、並びに機能について説明する。

圧電素子３０を予め取付けたシールドケース２０と、信号取り出し片５０やセンサアンプ回路６０などを予め取付けた基板４０とを組み合わせる。これにより、シールドケース２０は、基板４０の裏面におけるメタライズ部と電気的に接続され、基板４０と共同してケース内を磁気的、電気的、機械的にシールドする。また、基板４０の表面に取付けられた信号取り出し片５０の自由端側の端部がシールドケース２０内の圧電素子３０の信号出力端子部３１に圧接する。これにより、シールドケース２０内の圧電素子３０は基板４０の側の電気的に接続される。

また、シールドケース２０内の圧電素子３０は、シールドケース２０の底板部２１に設けられた片支持式の板バネ部２２に取付けられている。これにより、圧電素子３０は、シールドケース２０の底板部２１に直角な方向に変位自在に支持されることになる。信号取り出し片５０が圧接する信号出力端子部３１は、板バネ部２２の固定端側に位置しているので、圧接による変位がなく、信号取り出し片５０との確実な接触を可能にする。

こうして組み立てられた加速度センサでは、シールドケース２０側の圧電素子３０が、シールドケース２０を介して基板４０の側に接地されると共に、その信号出力端子部３１が信号取り出し片５０を介して基板４０の側のセンサアンプ回路６０などと電気的に接続される。かくして、図４に示すセンサ回路が構成される。

組み立てられた加速度センサは、シールドケース２０の天板部２１が主基板１０と垂直になる縦向きに主基板１０上に実装される。天板部２１の板バネ部２２に取付けられた圧電素子３０は、変位方向が主基板１０の表面に平行な加速度感応方向と直交し、加速度感応方向に変位可能に支持される。加速度感応方向に加速度が付加されると、板バネ部２２が撓み、加速度の方向に圧電素子３０が変位する。これにより圧電素子３０の反接合側の信号出力端子部３１に加速度の大きさに対応する電圧が発生する。その電圧は、信号取り出し片５０を介して基板４０の側のセンサアンプ回路６０に付与され、増幅されて信号出力端子部４２で検出可能となる（図４参照）。

圧電素子３０を支持する板バネ部２２がシールドケース２０に一体的に形成されているので、板バネのための専用部品が不要となり、部品点数が減少する。板バネ部２２を含むシールドケース２０は熱的に大容量であるために、仮にハンダ付けで基板４０或いは主基板１０とハンダ付けする場合にも、圧電素子３０は熱的な影響を殆ど受けない。シールドケース２０の側の圧電素子３０を、基板４０に取付けた板バネ形式の信号取り出し片５０にて基板４０の側と電気的に接続するために、リード線での接続と比べて組立が簡単であり、しかもハンダ付けが不要であるため、これによる熱的影響も回避できる。

更に、この板バネ形式の信号取り出し片５０は、板バネ部２２の固定端側で圧電素子３０の信号出力端子部３１と接触するので、板バネ部２２の変形による圧電素子３０の変位の接触への悪影響を回避できる。

本発明の一実施形態を示す加速度センサの外観を示す斜視図である。 同加速度センサの内部構造を示す分解斜視図である。 同加速度センサの内部構造を示す横断平面図である。 同加速度センサの回路構成を示す電気回路図である。 従来の加速度センサの構造を示す斜視図である。

符号の説明

１０ 主基板
２０ シールドケース
２２ 板バネ部
３０ 圧電素子
３１ 信号出力端子部
４０ 基板
５０ 信号取り出し片
６０ センサアンプ回路

Claims (5)

1. 加速度感応方向に変位可能に支持された圧電素子により加速度を検出し、且つその圧電素子を導電性の弾性材料からなるシールドケースにより保護した加速度センサにおいて、前記シールドケースの一部を舌状に切り抜いて片支持式の板バネ部を形成し、その板バネ部に前記圧電素子を取付けたことを特徴とする加速度センサ。
2. 請求項１に記載の加速度センサにおいて、前記シールドケースは、底面が開放しており、その底面がセンサアンプ回路を搭載し且つシールド部材を兼ねる底板兼用の基板により閉止される加速度センサ。
3. 請求項２に記載の加速度センサにおいて、前記基板は信号出力端子部を有し、該信号出力端子部は、前記シールドケースに取り付けられた圧電素子の信号出力端子部と電気的に接続されている加速度センサ。
4. 請求項３に記載の加速度センサにおいて、前記シールドケースは基板に沿う天板部に板バネ部を有し、前記圧電素子はその板バネ部に出力端子部が板バネ部の固定端側に位置するように取り付けられ、前記基板はシールドケースとの組合せに伴って圧電素子の信号出力端子部に弾性的に接触するバネ形式の信号取り出し片を有する加速度センサ。
5. 請求項４に記載の加速度センサにおいて、前記信号取り出し片は、一端部が基板側に固定される固定端であり、他端部が前記圧電素子の信号出力端子部に圧接する自由端である片支持式の板バネである加速度センサ。

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