JP5652352B2 - 車載用センサ - Google Patents

Description

本発明は、車体に搭載される車載用センサに関するものである。

特許文献１には、エアバックシステム用の加速度センサにおいて、衝突時の車両の変形による電源ケーブルの断線の可能性を低減するという課題を解決するために、車輪や車軸等の動力を用いて発電する発電機から電力の供給を受けるものが記載されている。これによれば、加速度センサがバッテリと電源ケーブルによって接続される場合と比較して、加速度センサが接続される電源ケーブルを短くできるので、電源ケーブルの断線の可能性を低減できる。

また、特許文献２〜４には、他の用途のセンサにおいて、歪みを与えられることによって電力を発生する圧電素子を用い、この圧電素子から電力の供給を受けるものが記載されている。

特開２００５−２４７２１７号公報 特開２００７−５２７６８１号公報 特開２００５−２８９５０号公報 特開２０１０−２７１８３４号公報

ところで、特許文献１に記載の課題を解決する別の手段として、エアバックシステム用の加速度センサにおいて、特許文献２〜４に記載の圧電素子による給電方法を採用し、車体の振動を利用して圧電素子に歪みを与えて電力を得ることが考えられる。

しかし、加速度センサが搭載される車体前部のサイドメンバやピラー等の車体に圧電素子を直接設置した場合、サイドメンバやピラー等の車体の振動が小さいことから、必要な電力を得るためには、圧電素子の面積を大型化しなければならず、圧電素子を含めた加速度センサ全体が大型化してしまう等の問題が生じる。

なお、このような問題は、エアバックシステム用の加速度センサに限らず、車体に搭載される他の車載用センサにおいても生じるものである。

本発明は上記点に鑑みて、車体に圧電素子を直接設置した場合と比較して、同じ大きさの電力を得るのに必要な圧電素子の小型化が可能な車載用センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１、２に記載の発明では、
車体に搭載され、物理量を検出するセンサチップ（２０）と、
センサチップ（２０）を覆うとともに、車体振動に共振する共振部材を構成する保護ケース（４０、８０）と、
共振部材（４０、８０）に設置された圧電素子（７０）とを備え、
センサチップ（２０）は、共振部材（４０、８０）が車体振動に共振することによって圧電素子（７０）から発生した電力が供給されることを特徴とする。
さらに、請求項２に記載の発明では、
保護ケース（４０、８０）は、側面部（４１、８１）と上面部（４２、８２）とを有し、
側面部（４１、８１）と上面部（４２、８２）とのうち上面部（４２、８２）のみが共振部材を構成することを特徴とする。

このように、車体振動に共振する共振部材に圧電素子を設置することで、車体に圧電素子を直接設置した場合であって、車体振動の大きさが同じ場合と比較して、圧電素子に与える歪み量を大きくでき、圧電素子から得られる電力量を増大できる。よって、本発明によれば、圧電素子を車体に直接設置する場合と比較して、同じ大きさの電力を得るのに必要な圧電素子の小型化が可能である。

請求項３に記載の発明では、センサチップ（２０）が実装される実装基板（１０）を備え、共振部材（４０、８０）は、実装基板（１０）に実装されていることを特徴とする。

センサチップと共振部材とが別体の場合では、センサチップと共振部材とを別々に車体に搭載しなければならないところ、本発明のように、センサチップと共振部材とを一体化することで、センサチップと共振部材とが別体の場合と比較して、車載用センサの搭載性を向上できる。

請求項１ないし３に記載の車載用センサに関し、圧電素子としては、例えば、請求項４に記載のように、フィルム状のものを用いることが好ましい。

また、請求項１ないし４に記載の車載用センサは、請求項５に記載のように、無線通信手段（５０）を備える車載用センサに適用することが好ましい。

また、請求項１ないし５に記載の車載用センサは、請求項６に記載のように、エアバックシステム用の加速度センサに適用することが好ましい。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

第１実施形態における加速度センサの断面図である。 車体振動と保護ケースの共振倍率との関係を示すグラフである。 第２実施形態における加速度センサの部分断面図である。 第３実施形態における加速度センサの断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
図１に本実施形態における加速度センサ１の断面図を示す。本実施形態は、本発明の車載用センサをエアバックシステム用の加速度センサに適用したものである。

まず、加速度センサ１の全体構成について説明する。図１に示すように、加速度センサ１は、実装基板１０と、センサチップ２０と、回路チップ３０と、保護ケース４０と、無線通信用周辺部品５０とを備えている。

実装基板１０は、センサチップ２０、回路チップ３０、無線通信用周辺部品５０等が実装された樹脂製の配線基板である。実装基板１０は、車体前部のサイドメンバやピラー等の車体６０にボルト６１等の固定手段によって固定される。

センサチップ２０は、車両衝突時の加速度を検出するセンシング部を有するチップである。センサチップ２０は、回路チップ３０を介して、実装基板１０の表面上に固定されている。本実施形態のセンサチップ２０は、表面にバンプ２１を有するフリップチップであり、バンプ２１によって回路チップ３０と電気的に接続されている。

回路チップ３０は、センサチップ２０から入力される検出信号を処理する回路等が形成されたチップであり、接着剤３１を介して、実装基板１０の表面上に固定されている。

保護ケース４０は、センサチップ２０、回路チップ３０を覆って保護するものである。保護ケース４０は、例えば、金属製もしくは樹脂製であり、センサチップ２０の側面を覆う側面部４１とセンサチップ２０の上面を覆う上面部４２とを有し、接着剤４３を介して、実装基板１０の表面上に固定されている。

無線通信用周辺部品５０は、車体に搭載されたエアバックＥＣＵ（電子制御部）と無線通信を行うための無線通信手段であり、送信機、受信機、アンテナ等である。無線通信用周辺部品５０は、回路チップ３０と電気的に接続されており、この無線通信用周辺部品５０を介して、回路チップ３０とエアバックＥＣＵとの間で無線通信が行われる。

これらの構成部品を有することにより、加速度センサ１は、例えば、エアバックＥＣＵからの信号を受信すると、センサチップ２０で検出した加速度に関する信号をエアバックＥＣＵへ送信する。これにより、エアバックＥＣＵには、車両に衝撃が加わった場合、その衝撃に応じた大きさの加速度に関する信号が入力される。

次に、本実施形態の特徴部分について説明する。

本実施形態の保護ケース４０は、車体振動に共振する共振部材を兼ねている。すなわち、保護ケース４０の共振周波数が車両走行時の車体の振動周波数に一致するように、保護ケース４０の構造、材質、厚さや接着剤４３の材質、厚さ等が設計されている。本実施形態では、保護ケース４０の全体が共振するように、保護ケース４０の全体の厚さが設計されている。

ここで、車両走行時の車体の振動周波数は、車種毎に特定の周波数帯域を有するので、その周波数帯域内の周波数に、保護ケースの共振周波数を一致させている。このとき、図２に示すように、車体振動が大きいときの周波数に一致させることが好ましい。図２に、車体振動の大きさと保護ケースの共振倍率との関係を示す。

具体的には、図２に示すように、車体振動の大きさを示すグラフ（実線）のピークと、保護ケース４０の共振倍率を示すグラフ（破線）のピークとが重なるようにする。なお、破線のグラフのピーク頂点が共振点であり、この共振点での周波数が共振周波数である。このとき、共振点での共振倍率（ピーク高さ）が１／√２以上であれば、車体振動が増幅される。

そして、図１に示すように、この保護ケース４０の上面部４２の外面に圧電素子７０が設けられている。圧電素子７０は、与えられた歪みを電力に変換する素子であり、圧電素子７０としては一般的なものを採用できる。本実施形態では、フィルム状の圧電素子（ピエゾフィルム）７０を用いている。

圧電素子７０は、回路チップ３０と電気的に接続されている。具体的には、圧電素子７０は、ワイヤ７１を介して、保護ケース４０の外側に位置する実装基板１０表面のパッド１１に接続さており、保護ケース４０の外側のパッド１１は実装基板１０内部の電源ライン１２を介して保護ケース４０の内側に位置する実装基板１０表面のパッド１３に接続されており、保護ケース４０の内側に位置するパッド１３が回路チップ３０とワイヤ７２を介して接続されている。

このように、本実施形態では、保護ケース４０が車体振動に共振する構成となっており、この保護ケース４０に圧電素子７０が設けられているので、車両走行時の車体振動により、保護ケース４０が共振してたわむことで、保護ケース４０から圧電素子７０に対して歪みが与えられる。これにより、圧電素子７０から電力を得ることができ、得られた電力を回路チップ３０、センサチップ２０および無線通信用周辺部品５０に供給することができる。

このようにして、本実施形態では、外部から電力を供給される必要が無い無線通信式の加速度センサ１が構成されている。したがって、本実施形態によれば、外部電源と加速度センサとを接続する電源ケーブルが不要であり、衝突時の車両の変形による電源ケーブルの断線の可能性を低減できる。

なお、本実施形態の実装基板１０は、保護ケース４０とは反対に、車体振動に共振しないように設定されている。すなわち、実装基板１０の共振周波数が車両走行時の車体振動周波数に一致しないように、実装基板１０の構造、材質、厚さ等が設計されている。これは、実装基板１０が車体振動に共振すると、実装基板１０を車体６０に固定しているボルト６１が外れたり、センサチップ２０が大きく振動したりするからである。

また、保護ケース４０からセンサチップ２０への振動伝達を抑制するという観点では、保護ケース４０を実装基板１０に固定する接着剤４３として、実装基板１０よりも低弾性の接着剤４３を用いることが好ましい。例えば、実装基板１０の弾性率が２〜３ＧＰａのとき、弾性率が１ＭＰａ〜１ＧＰａの接着剤４３を用いることが好ましい。

ところで、圧電素子７０の設置場所については、本実施形態と異なり、加速度センサ１が搭載される車体前部のサイドメンバやピラー等の車体６０に圧電素子７０を直接設置したり、加速度センサ１の実装基板１０に直接設置したりすることが考えられる。

しかし、この場合、サイドメンバやピラー等の車体の振動が小さいことから、必要な電力を得るためには、圧電素子の面積を大型化しなければならず、圧電素子を含めた加速度センサ全体が大型化してしまうという問題が生じる。

これに対して、本実施形態によれば、保護ケース４０を車体振動に共振するようにし、車体振動に共振する保護ケース４０に圧電素子７０を設置しているので、圧電素子７０を車体６０や実装基板１０に直接設置する場合と比較して、車体振動から電力への変換効率を高めることができる。

すなわち、本実施形態では、車体振動が保護ケース４０に伝達すると、車体振動が増幅されて、保護ケース４０に強い振動が生じるため（共振）、圧電素子７０を車体５０や実装基板１０に直接設置する場合と比較して、圧電素子７０に与える歪み量を大きくできる。よって、圧電素子７０の面積が同じ場合、圧電素子７０に加えられる歪み量（変位量）が大きいほど、大きな電力量が得られることから、本実施形態によれば、圧電素子７０を車体６０や実装基板１０に直接設置する場合と比較して、得られる電力量を増大できる。

したがって、本実施形態によれば、圧電素子７０を車体６０や実装基板１０に直接設置する場合と比較して、同じ大きさの電力を得るのに必要な圧電素子の面積を小さくできる。この結果、使用する圧電素子７０の小型化により、加速度センサ１のコストダウンが可能となり、圧電素子７０を含めた加速度センサ１全体のサイズを小型化できることから、加速度センサ１の車体への搭載性が向上する。

また、本実施形態では、圧電素子７０が保護ケース４０を介して実装基板１０に実装されていることから、本実施形態の加速度センサ１は電源が一体化されたものである。

このため、本実施形態によれば、加速度センサ１を車体に搭載するだけで良く、加速度センサとは別体の電源を用意して、加速度センサと電源とを別々に車体に搭載しなくて済むことから、加速度センサと電源とを別々に車体に搭載する場合と比較して、加速度センサ１の車体への搭載性を向上できる。

なお、本実施形態では、保護ケース４０の上面部４２に圧電素子７０を配置したが、保護ケース４０の上面部４２と側面部４１の両方が共振する場合であれば、上面部４２と側面部４１の両方に圧電素子７０を配置しても良い。また、保護ケース４０の上面部４２と側面部４１のうち上面部４２のみが共振するように保護ケース４０を設計して、上面部４２のみに圧電素子７０を配置しても良い。要するに、保護ケース４０に車体振動に共振する箇所を設け、その箇所に圧電素子７０を配置すれば良い。

（第２実施形態）
図３に本実施形態における加速度センサの要部を示す。以下では、第１実施形態との相違点のみを説明する。

第１実施形態では、センサチップ２０が積層された回路チップ３０を実装基板１０に直接実装していたのに対して、本実施形態は、図２に示すように、センサチップ２０が積層された回路チップ３０をパッケージ８０に収容し、このパッケージ８０を実装基板１０に実装したものである。

パッケージ８０は、凹部８１ａを有する本体部８１と、本体部８１の蓋をなす蓋部８２とを備えている。パッケージ８０は、センサチップ２０、回路チップ３０を覆って保護するものであり、第１実施形態の保護ケースに相当し、蓋部８２が保護ケースの上面部に相当する。

本体部８１はアルミナなどのセラミックスで構成され、蓋部８２はコバール（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金）等の金属で構成されたものである。蓋部８２は半田付け等により本体部８１に接合されている。本体部８１は半田付け等により実装基板１０の表面に接合されている。

本体部８１の凹部８１ａの底面に回路チップ３０が接着剤３１により固定され、回路チップ３０の上面にセンサチップ２０が接着剤２２により固定されている。センサチップ２０と回路チップ３０とがワイヤ９１を介して電気的に接続されている。また、本体部８１の表面、裏面および内部には配線８３が形成されており、この配線８３と回路チップ３０とがワイヤ９２を介して電気的に接続されている。

そして、パッケージ８０のうち、蓋部８２のみが車体振動に共振する構成、すなわち、蓋部８２の共振周波数が車両走行時の車体の振動周波数に一致するように、蓋部８２の構造、材質、厚さ等が設計されており、この蓋部８２の表面と裏面の両側にフィルム状の圧電素子７０が設置されている。圧電素子７０は、ワイヤ７１を介して、蓋部８２と電気的に接続されており、蓋部８２は本体部８１の配線８３と電気的に接続されている。これにより、圧電素子７０で発生した電力が回路チップ３０、センサチップ２０、無線通信用周辺部品５０に供給されるようになっている。

本実施形態においても、保護ケースの一部を車体振動に共振する構成とし、車体振動に共振する部分に圧電素子７０を設けているので、第１実施形態と同様の効果を奏する。

（第３実施形態）
図４に本実施形態における加速度センサの断面図を示す。以下では、第１実施形態との相違点のみを説明する。

本実施形態では、実装基板１０の表面上に板バネ１００が実装されており、この板バネ１００にフィルム状の圧電素子７０が設置されている。

板バネ１００は、車体振動に共振させるための板状の共振専用部材であり、例えば、金属製もしくは樹脂製のものである。本実施形態では、板バネ１００の一端側のみが接着剤１０１により実装基板１０に固定され、板バネ１００の他端側が自由な状態となっており、板バネ１００が片持ち状に固定されている。そして、板バネ１００の共振周波数が車両走行時の車体の振動周波数に一致するように、板バネ１００の構造、材質、厚さや接着剤１０１の材質、厚さ等が設計されている。

本実施形態においても、圧電素子７０は、ワイヤ７１等を介して、回路チップ３０等と電気的に接続されている。これにより、圧電素子７０で発生した電力が回路チップ３０、センサチップ２０、無線通信用周辺部品５０に供給されるようになっている。

本実施形態においても、車体振動に共振する共振専用部材に圧電素子７０を設けているので、第１実施形態と同様の効果を奏する。なお、本実施形態では、共振専用部材が板状であったが、薄膜状であっても良い。

ただし、本実施形態の加速度センサでは、共振専用部材を設置するスペースを確保する必要が生じるのに対して、第１、第２実施形態の加速度センサでは、保護ケースが共振部材を兼ねており、共振部材のスペースを別途確保する必要が無いので、第１、第２実施形態の加速度センサの方が加速度センサ全体の小型化に有利である。

（他の実施形態）
（１）上述の各実施形態では、センサチップ２０が実装されている実装基板１０に、保護ケース４０、板バネ１００等の共振部材を実装して、センサチップ２０と共振部材とを一体化したが、実装基板１０に共振部材を実装せず、センサチップ２０と共振部材とを別体としても良い。

この場合であっても、センサチップ２０の近くに共振部材を設置することで、センサチップ２０と圧電素子とを電気的に接続する電源ケーブルを短くでき、衝突時の車両の変形による電源ケーブルの断線の可能性を低減できる。

（２）上述の各実施形態では、センサチップ２０と回路チップ３０とを異なるチップとしたが、１つのチップとしても良い。

（３）第１実施形態では、保護ケース４０の外面に圧電素子７０を設けたが、保護ケース４０の内面に圧電素子７０を設けても良く、保護ケース４０の内面と外面の両面に圧電素子７０を設けても良い。

（４）上述の各実施形態を実施可能な範囲で組み合わせても良い。例えば、第１実施形態と第３実施形態とを組み合わせて、保護ケース４０と板バネ１００の両方に圧電素子７０を設けても良い。

（５）上述の各実施形態では、エアバックシステム用の加速度センサに本発明を適用したが、他の車載用センサに対しても本発明の適用が可能である。例えば、エンジンに取り付けられ、物理量として燃料圧や排気圧等を検出する圧力センサにおいても本発明の適用が可能である。

１ 加速度センサ（車載用センサ）
１０ 実装基板
２０ センサチップ
３０ 回路チップ
４０ 保護ケース（共振部材）
４２ 保護ケースの上面部
５０ 無線通信用周辺部品（無線通信手段）
６０ 車体
７０ 圧電素子
８０ パッケージ（保護ケース、共振部材）
８２ 蓋部（保護ケースの上面部）
１００ 板バネ（共振部材）

Claims (6)

1. 車体に搭載され、物理量を検出するセンサチップ（２０）と、
   前記センサチップ（２０）を覆うとともに、車体振動に共振する共振部材を構成する保護ケース（４０、８０）と、
   前記共振部材（４０、８０）に設置された圧電素子（７０）とを備え、
   前記センサチップ（２０）は、前記共振部材（４０、８０）が車体振動に共振することによって前記圧電素子（７０）から発生した電力が供給されることを特徴とする車載用センサ。
2. 前記保護ケース（４０、８０）は、側面部（４１、８１）と上面部（４２、８２）とを有し、
   前記側面部（４１、８１）と前記上面部（４２、８２）とのうち前記上面部（４２、８２）のみが前記共振部材を構成することを特徴とする請求項１に記載の車載用センサ。
3. 前記センサチップ（２０）が実装される実装基板（１０）を備え、
   前記共振部材（４０、８０）は、前記実装基板（１０）に実装されていることを特徴とする請求項１または２に記載の車載用センサ。
4. 前記圧電素子（７０）はフィルム状であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の車載用センサ。
5. 制御部との間にて無線通信を行う無線通信手段（５０）を備え、
   前記無線通信手段（５０）は、前記圧電素子（７０）から発生した電力が供給されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の車載用センサ。
6. 前記センサチップ（２０）は、車両衝突時の加速度を検出するものであり、
   前記車載用センサは、エアバックシステム用の加速度センサとして用いられることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の車載用センサ。

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