JP6320064B2

JP6320064B2 - 加速度センサ

Info

Publication number: JP6320064B2
Application number: JP2014019148A
Authority: JP
Inventors: 益人齋藤
Original assignee: Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2014-02-04
Filing date: 2014-02-04
Publication date: 2018-05-09
Anticipated expiration: 2034-02-04
Also published as: JP2015145850A

Description

本発明は、振動を検知するために用いられる加速度センサに関する。

従来、物品の表面に接触させて、振動の状態を計測する用途に、加速度センサが用いられている。

このような加速度センサとして、例えば、特許文献１に開示されているような、圧電素子を用いた加速度センサが使用されている。

図３は、従来の加速度センサを示す断面図である。図３に示す特許文献１に記載の加速度センサ２００は、板状の可撓部材２６と検出用電極が形成され可撓部材の片面に固定される圧電素子２５と重錘体２７を有するセンサ部と、可撓部材２６の外周部を支持する支持部材２９と、電子部品を搭載し接続端子を有する回路基板２４と、支持部材２９を固定し回路基板２４を支持するベース２３と、センサ部及び回路基板２４を保護する保護部材２１を備えている。

特許文献１の加速度センサにおいて、回路基板２４は、圧電素子２５に形成された検出用電極と対向する位置に、ベース２３に固定されているピン２８で支持され、圧電素子２５に形成された検出用電極と回路基板２４はリード線２２により電気的接続をとる構成となっている。

特開平１０−１７０５４０号公報

上記のような構成では、回路基板の固定が十分でなく、耐衝撃性が低下するという課題がある。また、加速度センサの測定周波数は、共振周波数より低い帯域が用いられるため、共振周波数を高周波側に設計するのが好ましいが、高周波数帯域ではノイズの影響が大きくなり、回路基板の固定が不十分であると、高周波数の機械的ノイズの影響を受けやすいという課題がある。さらに、回路基板をピンに支持する工程や、機械的ノイズの影響を小さくするために細いリード線を使用するリード線の取り付け工程は、製造が煩雑であるという課題もある。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、耐衝撃性を向上し、機械的ノイズの影響を低減し、製造が容易な加速度センサを提供することを目的とする。

本発明は、加速度を検出するセンサ素子および前記センサ素子を固定する可撓部材を有するセンサ部と、前記センサ素子の出力信号を処理する回路基板と、前記センサ部を支持するケースと、前記ケースと接合し、前記センサ部と前記回路基板を覆うカバーとを備えた加速度センサであって、前記センサ部と前記回路基板は離間して積層配置され、前記ケースは、前記センサ部を固定する第一の支持部と、前記回路基板を固定する第二の支持部とを有する段差が形成されていることを特徴とする。

また、前記回路基板は、前記センサ部の前記ケースに固定されている面と反対方向の上面側に配置されていることが好ましい。

また、前記段差は、前記ケースの外周部に形成されており、前記回路基板の外周部が前記第二の支持部に固定されていることが好ましい。

また、前記センサ素子と前記回路基板は、接続ピンで電気的に接続されていることが好ましい。

本発明によれば、回路基板の外周をケースで支持する構成とすることで、回路基板の固定が堅牢となり剛性が向上するため、耐衝撃性を向上し、機械的ノイズの影響を低減するとともに、リード線の取り付け工程を必要とせず、各構成部材を順に組み上げることで製造が可能であるため、製造が容易な加速度センサを提供することが可能となる。

本発明の加速度センサを示す斜視図。本発明の加速度センサを示す断面図。従来の加速度センサを示す断面図。

以下、本発明による加速度センサの実施の形態を、図面を用いて説明する。

図１は、本発明の加速度センサを示す斜視図である。図１に示すように、本実施の形態の加速度センサ１００は、内部にセンサ部と回路基板を収納する筐体として、有底で枠状のケース２と、ケース２の外周部分に接合する、枠状で蓋を有するカバー１で構成されている。ケース２の側面からは外側に向けて配線ケーブル１１が取り出されている。また、耐水性が要求される環境で使用する場合も考慮し、配線ケーブル１１のケース２からの取り出し部には、配線ケーブル１１の保護と防水のため保護部材１２が設けられている。

さらに、ケース２の底面側には、重心の安定性や耐水性をさらに向上させるために、ベース３が接合されていてもよい。本実施の形態では、ベース３の底面側に測定対象物を接触させることで測定を行うことが可能となる。

本実施の形態において、筐体であるカバー１、ケース２、ベース３は、それぞれＳＵＳで形成されている。筐体の材質は、使用環境による耐水性や加工性等を考慮し、適宜選択できる。また、配線ケーブル１１の保護部材１２は、配線ケーブル１１を外部の衝撃等から保護しかつ防水できる構成であればよく、熱収縮チューブ等が使用できる。また、筐体と同じ材料を用い接合することも可能である。

図２は、本発明の加速度センサを示す断面図である。図２に示すように、本実施の形態の加速度センサ１００は、加速度を検出するセンサ素子５およびセンサ素子５を固定する可撓部材６を有するセンサ部と、センサ素子５の出力信号を処理する回路基板４が、センサ部を支持するケース２とカバー１により密閉されている構造となっている。本実施の形態において、センサ素子５は可撓部材６の片面に固定されているが、可撓部材６の両面にセンサ素子５を固定する構成としてもよい。

センサ部には、可撓部材６の両端をケース２に支持する支持部材７が設けられ、ケース２と可撓部材６は距離を有して支持固定されている。支持部材７とケース２の固定、支持部材７と可撓部材６の固定は接着剤等が用いられる。ここで、本実施の形態では、可撓部材６の両端を支持部材７で支持して両持ち梁構造としているが、可撓部材６の片側を支持して片持ち梁構造としてもよいし、センサ部の中央を支持して中央支持構造としてもよい。支持部材７には例えばガラスエポキシ基板を用いることができる。また、本実施の形態では、センサ部におけるセンサ素子５は、圧電素子と電極から構成されている。可撓部材６には、インバー材等の熱膨張係数が圧電素子の材料と近い特性を持つ材料が好ましく使用できる。

センサ部と回路基板４は離間して積層配置されている。このとき、回路基板４は、センサ部のケース２に固定されている面を下面側とした場合、センサ部の上面側に配置されているのが好ましい。

ケース２には、センサ部を固定する第一の支持部２ａと、回路基板４を固定する第二の支持部２ｂとを有する段差が形成されている。本実施の形態において、回路基板４は、ケース２に形成された段差の第二の支持部２ｂに固定されている。この構成により、回路基板４の支持が堅牢となり、耐衝撃性が向上し、さらに、意図しない部分が振動することで発生する機械的ノイズを抑制できる。

また、本実施の形態では、ケース２に設けられている段差は、ケース２の外周部に形成され、回路基板４の外周部と第二の支持部２ｂが固定されている。この構成により、回路基板４の支持がさらに安定し、加速度センサ１００の剛性が向上し、共振周波数が高くなる効果も得られる。加速度センサ１００の測定周波数は、共振周波数より低い帯域が用いられるため、加速度センサ１００の共振周波数が高いほど、広い周波数帯域での測定が可能となる。

また、センサ素子５と回路基板４の電気的な接続は、第一の接続ピン８で電気的に接続されているのが好ましい。この構成により、従来のリード線での接続と比較し、作業性が格段に向上し、かつ剛性が向上し共振周波数が高くなる効果も得られる。第一の接続ピン８の接合および固定は、ろう付け等の溶接、接着剤等で行うことが可能である。

ケースに形成された段差の高さは、センサ部の厚みと振幅を考慮し設計する必要がある。段差の高さが小さすぎると、センサ部の振幅が大きくなった際に、センサ素子５と回路基板４が接触し破壊の原因となる。段差の高さが大きすぎると、センサ素子５と回路基板４を接続する第一の接続ピン８の長さが長くなり、共振周波数が下がり、測定周波数帯域が狭くなることが懸念される。

ケース２には、金属製の第二の接続ピン９がハーメチック固定されており、第二の接続ピン９は、センサ部の支持部材７および回路基板４に設けられた貫通穴に嵌合して、それぞれろう付け等で接合することにより電気的に接続される。第二の接続ピン９は、複数用いてもよく、その場合、センサ部および回路基板４との電気的接続をする第二の接続ピン９の他に、グランド接続用の第二の接続ピンを設けることも可能である。グランド接続用の第二の接続ピンは、ケース２等の筐体と電気的に接続することにより、シールド効果による電磁ノイズの影響の低減を図ることが可能となる。

第一の接続ピン８および第二の接続ピン９の材質は、特に限定されないが、ろう付けで接合する場合においては、ろう付けに用いる金属と、第一の接続ピン８および第二の接続ピン９に用いる金属との熱膨張率の違いによるクラックの発生を防止するため、熱膨張係数の近い材料を用いることが望ましい。

ケース２のセンサ部および回路基板４を搭載した面に対する反対側の面には、接続基板１０が固定されており、第二の接続ピン９と電気的に接続されている。さらに接続基板１０には、配線ケーブル１１が固定されており、電気的に接続されている。

ケース２の外周部にはカバー１が接合され、センサ部と回路基板４を密閉する構成としている。さらに、ケース２のカバー１の接合面と反対側の外周部には、ベース３が接合されている。ケース２とカバー１およびベース３の接合にはレーザー溶接等を用いるのが好ましい。

本実施の形態では、ケース２とカバー１との接合により形成された、センサ部および回路基板４を搭載する空間と、ケース２とベース３との接合により形成された、配線ケーブル１１および配線ケーブル１１の取り出し部分を有する空間を区切った構成としている。この構成により、高い耐水性を要求される環境での使用において、水分が侵入し易い配線ケーブル１１の取り出し部を有する空間から、センサ部および回路基板４の搭載する空間への水分侵入をさらに防止することができ、耐湿に対する冗長性が向上し、信頼性が高い加速度センサを提供することが可能となる。また、配線ケーブル１１の取り出し部を有する空間を、撥水性の樹脂によりモールドすることにより、耐水性が更に向上し、また測定時の加速度センサの姿勢が安定するという効果も得られる。

さらに、本実施の形態では、各構成部材を順に組み上げることで製造が可能であるため、製造が容易で、量産性に優れた加速度センサを提供することが可能となる。

以上説明した通り、本実施の形態の加速度センサによれば、回路基板の固定が堅牢となり剛性が向上するため、耐衝撃性を向上し、機械的ノイズの影響を低減し、製造が容易な加速度センサを提供することが可能となる。

１カバー
２ケース
２ａ第一の支持部
２ｂ第二の支持部
３ベース
４回路基板
５センサ素子
６可撓部材
７支持部材
８第一の接続ピン
９第二の接続ピン
１０接続基板
１１配線ケーブル
１２保護部材
１００、２００加速度センサ
２１保護部材
２２リード線
２３ベース
２４回路基板
２５圧電素子
２６可撓部材
２７重錘体
２８ピン
２９支持部材

Claims

加速度を検出するセンサ素子および前記センサ素子を固定する可撓部材を有するセンサ部と、前記センサ素子の出力信号を処理する回路基板と、前記センサ部を支持するケースと、前記ケースと接合し、前記センサ部と前記回路基板を覆うカバーとを備えた加速度センサであって、
前記センサ部と前記回路基板は離間して積層配置され、前記ケースは、前記センサ部を固定する第一の支持部と、前記回路基板を固定する第二の支持部とを有する段差が形成され、前記段差は、前記ケースの外周部に形成されており、前記回路基板は外周部が前記第二の支持部に固定されるとともに、前記第二の支持部に固定される部分よりも内周側で前記回路基板と前記ケースが接続ピンで接続されていることを特徴とする加速度センサ。
前記回路基板は、前記センサ部の前記ケースに固定されている面と反対方向の上面側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。