JP7343048B2 - 加速度検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、対象物の振動等を検出するための加速度検出装置に関する。

従来、加速度検出素子が搭載されている様々な加速度検出装置が知られている。例えば下記の特許文献１では、車両の加速度を検出する加速度検出装置が開示されている。特許文献１に記載の加速度検出装置では、基板の一方面に、加速度検出素子や回路部品が実装されている。基板の他方面が検出対象物に固定されている。

他方、下記の特許文献２に記載の加速度検出装置では、対象物に当接する外側壁を有する第１緩衝部が設けられている。第１緩衝部の外側壁の内側に、第１緩衝部よりも軟らかい第２緩衝部が設けられている。加速度検出素子が第２緩衝部内に保持されている。また、上記第１緩衝部を測定対象物に固定する薄肉固定部材が設けられている。

特開２０１１－７５４４２号公報 特開２０１３－１９５１０３号公報

特許文献１に記載の加速度検出装置では、車両に固定される筐体に、基板が固定されている。そのため、基板の筐体と対向している面に回路部品などを実装することができなかった。従って、小型化が困難であった。

特許文献２に記載の加速度検出装置では、基板の一方面及び他方面に、加速度検出素子や回路部品が実装されている。しかしながら、特許文献２に記載の加速度検出装置では、測定対象物からの加速度の伝達による共振周波数が低く、高い周波数の加速度の検出が困難であるという問題があった。

本発明の目的は、小型化することができ、かつ高い周波数の加速度を検出することが可能である、加速度検出装置を提供することにある。

本発明に係る加速度検出装置は、第１の面と、前記第１の面と対向する第２の面とを有する基板と、前記基板の前記第１の面に搭載されている加速度検出素子と、前記基板の前記第２の面に搭載されている第１の回路部品と、前記基板の前記第１の面に設けられた前記加速度検出素子を覆う第１の封止部と、前記基板の前記第２の面に設けられた前記第１の回路部品を覆い、前記基板と対向している内側面と、前記内側面の反対側の面である外側面とを有する第２の封止部とを有し、かつ樹脂からなる封止部材と、前記第２の封止部内に、前記外側面と前記基板の前記第２の面とを結ぶ方向に延びており、前記封止部材よりも相対的に剛性の高い高剛性部材と、を備える。

本発明によれば、小型化することができ、かつ高い周波数の加速度を検出することが可能である、加速度検出装置を提供することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る加速度検出装置を説明するための略図的斜視図である。 図２は、本発明の第１の実施形態に係る加速度検出装置の基板の第２の面側から視た略図的斜視図である。 図３は、本発明の第１の実施形態に係る加速度検出装置の正面断面図である。 図４は、本発明の第２の実施形態に係る加速度検出装置の正面断面図である。 図５は、本発明の第３の実施形態に係る加速度検出装置の正面断面図である。 図６は、加速度検出素子の一例の斜視図である。 図７は、加速度検出素子の一例の内部構造を説明するための斜視図である。 図８は、加速度検出素子の他の一例の斜視図である。 図９は、加速度検出素子の他の一例の内部構造を説明するための斜視図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。

なお、本明細書に記載の各実施形態は、例示的なものであり、異なる実施形態間において、構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることを指摘しておく。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る加速度検出装置を説明するための略図的斜視図である。図２は、本発明の第１の実施形態に係る加速度検出装置の基板の第２の面側から視た略図的斜視図である。図３は、本発明の第１の実施形態に係る加速度検出装置の正面断面図である。

本発明の第１の実施形態に係る加速度検出装置１は、基板２を有する。基板２の平面形状は特に限定されないが、本実施形態では、矩形板状の形状とされている。基板２は、対向し合う第１の面２ａと、第２の面２ｂとを有する。基板２は、ガラスエポキシやアルミナなどの絶縁性材料からなる。また、図１では図示をしていないが、電気的接続のための配線等が、基板２の第１の面２ａ及び第２の面２ｂに設けられている。

本発明の第１の実施形態に係る加速度検出装置１は、加速度検出素子３と、第１の回路部品４，５と、第２の回路部品６，７と、複数の高剛性部材８とを有する。加速度検出素子３は、基板２の第１の面２ａに搭載されている。加速度検出素子３は、加速度検出装置１に印加された加速度を検出する素子である。加速度検出素子３は、印加された加速度の大きさに応じた電気信号を出力する。

第１の回路部品４，５は、基板２の第２の面２ｂに搭載されている。第２の回路部品６，７は、基板２の第１の面２ａに、搭載されている。第１の回路部品４，５及び第２の回路部品６，７は、互いに電気的に接続されており、加速度検出素子３を駆動し、かつ加速度検出素子３からの信号を出力するための電子回路を構成している。

加速度検出装置１の第１の特徴は、第１の回路部品４，５が基板２の第２の面２ｂに搭載されており、第２の回路部品６，７が基板２の第１の面２ａに搭載されていることにある。そして、加速度検出素子３が基板２の第１の面２ａに搭載されている。従って、加速度検出装置１では、小型化することができる。

加速度検出装置１は、樹脂よりなる封止部材１０を備える。封止部材１０は、基板２の第１の面２ａに設けられた第１の封止部１１と、基板２の第２の面２ｂに設けられた第２の封止部１２とを有する。第１の封止部１１は、基板２の第１の面２ａにおいて、加速度検出素子３及び第２の回路部品６，７を覆っている。第２の封止部１２は、基板２の第２の面２ｂにおいて、第１の回路部品４，５を覆っている。封止部材１０により加速度検出装置１内の加速度検出素子３、第１の回路部品４，５及び第２の回路部品６，７が封止されている。

第１の封止部１１と第２の封止部１２は、同一の樹脂からなることが好ましい。それによって、製造を容易にすることができる。もっとも、第１の封止部１１と第２の封止部１２は、異なる樹脂からなるものであってもよい。また、第１の封止部１１と第２の封止部１２とは、基板２の側面を経て連結されて一体化されていてもよい。すなわち、基板２は、封止部材１０内に埋設されていてもよい。

加速度検出装置１の第２の特徴は、複数の高剛性部材８が基板２の第２の面２ｂに設けられていることにある。高剛性部材８は、封止部材１０よりも相対的に剛性が高い材料からなる。このような材料は特に限定されず、金属やセラミックスなどを好適に用いることができる。

高剛性部材８は、本実施形態では、円柱状の金属ピンからなる。なお、高剛性部材８の形状は、円柱状に限らず、角柱状であってもよい。すなわち、長さ方向を有する任意の形状の柱状体が高剛性部材８として好適に用いられる。

図３に示すように、加速度検出装置１は、第２の封止部１２側で検出対象物１３に固定される。ここで、第２の封止部１２の基板２と対向している内側面と反対側の面を外側面１２ａとする。外側面１２ａが、検出対象物１３に取り付けられる面、実装面である。高剛性部材８は、基板２の第２の面２ｂと、外側面１２ａとを結ぶ方向に延ばされている。基板２の第２の面２ｂと外側面１２ａとを結ぶ方向が、高剛性部材８の長さ方向である。

本実施形態では、高剛性部材８は、導電性接合材９ａにより基板２の第２の面２ｂに接合されることで、基板２の第２の面２ｂに固定され、かつ電気的に接続されている。導電性接合材９ａは、基板２上に設けられた配線、加速度検出素子３、第１の回路部品４，５、第２の回路部品６，７に電気的に接続されている。

導電性接合材９ａとしては、半田や導電性接着剤などの適宜の導電性接合材料を用いることができる。なお、導電性接合材９ａは高剛性部材８を構成する下地電極であってもよい。

高剛性部材８は、外側面１２ａにおいて外部に露出している。外側面１２ａと高剛性部材８の端部との間に段差がなくてもよい。その場合には高剛性部材８は外側面１２ａに至ることになる。また、図示のように高剛性部材８の端部が外側面１２ａよりも若干後退していることにより、外側面１２ａと高剛性部材８の端部との間に段差があってもよい。

本実施形態では、外側面１２ａは、検出対象物１３の取り付け面１３ａに、接合材９ｂを介して接合されている。それによって、加速度検出装置１が、検出対象物１３に固定されている。

接合材９ｂは、導電性接合材であってもよく、導電性を有しない接合材であってもよい。

加速度検出装置１では、複数の高剛性部材８が上記のように設けられている。そして、高剛性部材８の剛性は、封止部材１０の剛性よりも高い。従って、加速度検出装置１全体の構造共振の周波数が高められている。よって、高剛性部材８を有しない場合に比べて、高い周波数の加速度を検出することができる。

なお、検出対象物１３は、特に限定されない。例えば工作機械や車両などの様々な検出対象物に、本発明の加速度検出装置を搭載することができる。なお、加速度検出装置１では、ガラスエポキシやアルミナなどの絶縁性材料からなる中継基板を介して、検出対象物１３に固定されていてもよい。

上記のように、加速度検出装置１では、第１の特徴により、小型化することができ、第２の特徴により、高い周波数の加速度の検出が可能とされている。

なお、加速度検出装置１では、複数の高剛性部材８が設けられていたが、少なくとも１個の高剛性部材が設けられていてもよい。基板２の第２の面２ｂと外側面１２ａとを結ぶ方向から視て、基板２と加速度検出素子３とが重なる領域に複数の高剛性部材８が設けられていることが好ましい。このような構成により、より高い周波数の加速度の検出が可能となる。

また、導電性接合材９ａに代えて、絶縁性接合材を用いてもよい。

さらに、高剛性部材８は、金属ピンのような導電性材料からなるものに限らず、セラミックスなどの絶縁性材料からなるものであってもよい。

もっとも、好ましくは、上記実施形態のように、高剛性部材８が導電性を有しており、高剛性部材８が、基板２上に設けられた配線、加速度検出素子３、第１の回路部品４，５、第２の回路部品６，７に電気的に接続されていることが望ましい。

図４は、本発明の第２の実施形態に係る加速度検出装置の正面断面図である。本発明の第２の実施形態に係る加速度検出装置２１は、高剛性部材の形状が第１の実施形態に係る加速度検出装置１と異なっており、他の構成は第１の実施形態に係る加速度検出装置１と同様である。従って、加速度検出装置１と同一部分については同一の参照番号を付することにより、その説明を省略する。

加速度検出装置２１では、複数の高剛性部材２２が基板２の第２の面２ｂに設けられている。高剛性部材２２は、基板２の第２の面２ｂと、外側面１２ａとを結ぶ方向に延ばされている。基板２の第２の面２ｂと外側面１２ａとを結ぶ方向が、高剛性部材２２の長さ方向である。高剛性部材２２は、長さ方向と直交する方向の断面積が相対的に小さい小面積部２２ａと、長さ方向と直交する方向の断面積が相対的に大きい大面積部２２ｂとを有する。小面積部２２ａは、導電性接合材９ａにより基板２の第２の面２ｂに接合されている。大面積部２２ｂは、接合材９ｂにより検出対象物１３の取り付け面１３ａに接合されている。大面積部２２ｂにより、より大きな面積で加速度検出装置２１が検出対象物１３に固定されている。従って、加速度検出装置２１では、基板２の外側面１２ａの面積を大きくすることなく、高剛性部材２２と取り付け面１３ａとの接合部分の面積を大きくすることができる。よって、基板２の面積を大きくすることなく、加速度検出装置２１全体の構造共振の周波数をより一層高くすることができる。

図５は、本発明の第３の実施形態に係る加速度検出装置の正面断面図である。本発明の第３の実施形態に係る加速度検出装置３１は、金属層３２が設けられている点が第１の実施形態に係る加速度検出装置１と異なっており、他の構成は第１の実施形態に係る加速度検出装置１と同様である。従って、加速度検出装置１と同一部分については同一の参照番号を付することにより、その説明を省略する。

加速度検出装置３１では、外側面１２ａに、金属層３２が設けられている。検出対象物１３の取り付け面１３ａに、金属膜１３ｂが設けられている。金属層３２が、金属膜１３ｂに図示しない接合材により接合されている。このため、加速度検出装置３１では、基板２の外側面１２ａの面積を大きくすることなく、加速度検出装置３１と取り付け面１３ａとの接合部分の面積を大きくすることができる。従って、第２の実施形態の加速度検出装置２１と同様に、基板２の面積を大きくすることなく、加速度検出装置３１全体の構造共振の周波数をより一層高めることができる。

なお、上記金属層３２は、加速度検出素子３、第１の回路部品４，５、第２の回路部品６，７と電気的に接続されていてもよい。すなわち、金属層３２は、電極として機能するように設けられていてもよい。また、例えば、金属層３２が、電気的に浮かされた電極である場合、第１の回路部品４，５などの電磁シールドとして機能することも可能となる。

もっとも、金属層３２に代えて、他の導電性材料や、絶縁性材料からなる接合層を設けてもよい。その場合、検出対象物１３の取り付け面１３ａ側の金属膜１３ｂについても、他の導電性材料や、導電性材料以外の材料からなるものであってもよい。そのような場合においても、上記接合部分の面積の拡大により、加速度検出装置３１全体の構造共振の周波数を高くすることができる。

加速度検出素子３は、印加された加速度の大きさに応じて電気信号を出力する適宜の加速度検出素子からなる。従って、このような機能を果たす限り、加速度検出素子３の構造は特に限定されないが、一例を図６及び図７を参照して説明する。

図６は、加速度検出素子の一例の斜視図である。図７は、加速度検出素子の一例の内部構造を説明するための斜視図である。

加速度検出素子３は、素子基板４１と、キャップ４２と、加速度検出用の圧電素子４３とを有する。圧電素子４３は、素子基板４１に搭載されている。圧電素子４３は、ストリップ状の細長い圧電体４３ａを有する。圧電体４３ａの両面に電極４３ｂ，４３ｃが設けられている。圧電素子４３は片持ち梁で、素子基板４１に取り付けられている。圧電素子４３に、加速度が加わると圧電素子４３が振動し、圧電効果により電気信号が出力される。

キャップ４２が素子基板４１に固定されており、圧電素子４３が封止されている。

また、加速度検出素子の他の一例を図８及び図９を参照して説明する。図８は、加速度検出素子の他の一例の斜視図である。図９は、加速度検出素子の他の一例の内部構造を説明するための斜視図である。

加速度検出素子は、圧電素子５４と、第１の挟持部材５５と、第２の挟持部材５６と、第１の外装基板５７と、第２の外装基板５８とを有する。圧電素子５４は、直方体状であり、図示されていない第１の圧電体層と、第２の圧電体層と、検出電極とを有する。第１の圧電体層と第２の圧電体層は、チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスからなる。検出電極は、第１の圧電体層の外表面と、第２の圧電体層の外表面とに、それぞれ設けられている。

第１の挟持部材５５と第２の挟持部材５６とが、圧電素子５４に接合されている。圧電素子５４は、片持ち梁で、第１の挟持部材５５と第２の挟持部材５６によって支持されている。第１の挟持部材５５と第２の挟持部材５６とは、それぞれ、圧電素子５４側に開いた溝を有する。溝により、圧電素子５４の加速度による変位を妨げない空間が形成されている。

第１の外装基板５７と、第２の外装基板５８とは、絶縁性の材料からなる。第１の外装基板５７は、平板状の部材である。第２の外装基板５８は、凹部を有する。もっとも、第１の外装基板５７及び第２の外装基板５８の双方が凹部を有していてもよい。凹部により、圧電素子５４の加速度による変位を妨げない空間が形成されている。圧電素子５４と、第１の挟持部材５５と、第２の挟持部材５６とは、第１の外装基板５７と第２の外装基板５８との間に配置されている。

また、加速度検出素子は、圧電素子ではなく、静電容量素子を備える加速度検出素子であってもよい。

１…加速度検出装置
２…基板
２ａ…第１の面
２ｂ…第２の面
３…加速度検出素子
４，５…第１の回路部品
６，７…第２の回路部品
８…高剛性部材
９ａ…導電性接合材
９ｂ…接合材
１０…封止部材
１１…第１の封止部
１２…第２の封止部
１２ａ…外側面
１３…検出対象物
１３ａ…取り付け面
１３ｂ…金属膜
２１…加速度検出装置
２２…高剛性部材
２２ａ…小面積部
２２ｂ…大面積部
３１…加速度検出装置
３２…金属層
４１…素子基板
４２…キャップ
４３…圧電素子
４３ａ…圧電体
４３ｂ，４３ｃ…電極
５４…圧電素子
５５…第１の挟持部材
５６…第２の挟持部材
５７…第１の外装基板
５８…第２の外装基板

Claims (12)

1. 第１の面と、前記第１の面と対向する第２の面とを有する基板と、
   前記基板の前記第１の面に搭載されている加速度検出素子と、
   前記基板の前記第２の面に搭載されている第１の回路部品と、
   前記基板の前記第１の面に設けられた前記加速度検出素子を覆う第１の封止部と、前記基板の前記第２の面に設けられた前記第１の回路部品を覆い、前記基板と対向している内側面と、前記内側面の反対側の面である外側面とを有する第２の封止部とを有し、かつ樹脂からなる封止部材と、
   前記第２の封止部内に、前記外側面と前記基板の前記第２の面とを結ぶ方向に延びており、前記封止部材よりも相対的に剛性の高い高剛性部材と、を備える、加速度検出装置。
2. 前記基板の前記第１の面に搭載されている、第２の回路部品をさらに備える、請求項１に記載の加速度検出装置。
3. 前記高剛性部材が導電性を有し、前記加速度検出素子、前記第１の回路部品、前記第２の回路部品のいずれかと電気的に接続されている、請求項２に記載の加速度検出装置。
4. 前記高剛性部材が、前記外側面において外部に露出している、請求項１～３のいずれか１項に記載の加速度検出装置。
5. 前記高剛性部材が、前記第２の封止部の前記外側面に至っている、請求項４に記載の加速度検出装置。
6. 前記基板の前記第２の面と前記外側面とを結ぶ方向から視て、前記基板と前記加速度検出素子とが重なる領域に複数の前記高剛性部材が設けられている、請求項１～５のいずれか１項に記載の加速度検出装置。
7. 前記高剛性部材が、前記基板の前記第２の面に接合材により接合されている、請求項１～６のいずれか１項に記載の加速度検出装置。
8. 前記接合材が導電性接合材である、請求項７に記載の加速度検出装置。
9. 前記高剛性部材が金属からなる、請求項１～８のいずれか１項に記載の加速度検出装置。
10. 前記高剛性部材がセラミックスからなる、請求項１～８のいずれか１項に記載の加速度検出装置。
11. 前記高剛性部材が、長さ方向を有する柱状体である、請求項１～１０のいずれか１項に記載の加速度検出装置。
12. 前記加速度検出素子が圧電体を有し、加速度を、電気信号として出力する加速度検出素子である、請求項１～１１のいずれか１項に記載の加速度検出装置。

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