JPH10170540A

JPH10170540A - 加速度センサ

Info

Publication number: JPH10170540A
Application number: JP8353075A
Authority: JP
Inventors: Kazutoyo Ichikawa; 和豊市川; Norihiko Shiratori; 典彦白鳥; Tomoo Namiki; 智雄並木; Minoru Hatakeyama; 稔畠山; Masato Handa; 正人半田; Yoshiya Okada; 恵也岡田
Original assignee: Miyota KK; Miyota Co Ltd
Current assignee: Miyota KK; Miyota Co Ltd
Priority date: 1996-12-13
Filing date: 1996-12-13
Publication date: 1998-06-26

Abstract

(57)【要約】【課題】ノイズが少なく、応答性の高い加速度センサ
を得る。【解決手段】板状の可撓部材と少なくとも検出用電極
が形成され該可撓部材の片面に固定される圧電素子と重
錘体を有するセンサ部と、該可撓部材の外周部を支持す
る支持部材と、電子部品を搭載し接続端子を有する回路
基板と、該支持部材を固定し、該回路基板を支持すると
ともに外部との電気的導通をとる接続部材を有するベー
スと、該センサ部および該回路基板を保護する保護部材
で構成される。前記回路基板は前記検出用電極と対向す
る位置に固定され、前記回路基板の前記接続端子にスル
ーホールを設け、前記検出用電極に一端を固定したリー
ド線の他端は、該スルーホールを通り、適度なたるみを
保ちながら前記接続端子に固定される。また、前記リー
ド線は前記検出用電極の前記重錘体固定部分より内側に
形成されている部分に固定される。さらに、前記可撓部
材と前記圧電素子はろう付けにより固定される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は圧電素子を用いた加
速度センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】加速度センサは自動車業界でエアーバッ
グ制御のセンサ等として使用されている。検出方式はい
ろいろ開発されているが、本発明は表面に電極を形成し
た圧電素子を貼付した可撓部材の中央部に加速度により
慣性力を生じる重錘体を設け、加速度による重錘体の慣
性力で可撓部材が変形（この時表面に貼付してある圧電
素子も変形しその歪量に比例した電荷を発生する）する
ことにより加速度を検出するものにかかわる。

【０００３】本発明に係わる先行技術として、特開平５
−２６７４４号がある。図１は従来技術による加速度セ
ンサの代表的な例で正面断面図である。図２は圧電素子
側から見た平面図である。可撓性を持った円盤状の基板
１の上面には、両面に検出電極３、４、５、６が形成さ
れた圧電素子２が貼付され、下面の中央部には加速度を
可撓性を持った円盤状の基板１の歪みに置換するための
重錘体７が貼付されている。

【０００４】加速度により重錘体と可撓部材の相対位置
がずれることで可撓部材に貼付してある圧電素子が歪
み、電荷が発生する。電荷は表面に形成してある電極で
集められ、ある電位（電圧）として計測される。本明細
書では電極に発生する電荷と表現する。圧電素子は歪み
量により発生する電荷の量が変わる。また圧電素子の面
積や体積によっても発生する電荷の量が変わる。

【０００５】先出の特開平５ー２６７４４号は、圧電素
子を用いた力センサにおいて、板状の圧電素子と、この
圧電素子の上面に形成された上部電極と、この圧電素子
の下面に形成された下部電極と、によって構成される検
出子を４組用意し、可撓性をもった基板内の一点に原点
を定義し、この原点を通りかつ基板面に平行な方向にＸ
軸を定義し、用意した４組の検出子のうちの２組をＸ軸
の正の側に、他の２組を負の側に、それぞれＸ軸に沿っ
て並べて配置し、各検出子の一方の電極を基板に固定
し、基板外側の周囲部分をセンサ筐体に固定し、外部か
ら作用する物理量に基づいて発生した力を、原点に伝達
する機能を有する作用体を形成し、この作用体に発生し
た力を４組の検出子の各電極に発生する電荷に基づいて
検出するようにしたものであり、外部から与えられる加
速度に基づいて作用体に力を発生させることにより加速
度が検出できる。図２はＸ軸方向に４組、Ｙ軸方向に４
組の検出子を配置した例である。このように電極を配置
することでＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸方向の加速度を検出
することができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】３軸方向の加速度を検
出するためには、たとえば従来例のように検出電極の形
状を複雑に形成しなければならない。電極の数が多く、
各電極から回路基板にリード線により電気的接続をとる
場合、リード線の長さが電極により異なり、引き回し方
法によっては長さを長くすることがある。リード線の長
さが長くなると、そこにのるノイズが大きくなり、検出
精度が落ちる。また、加速度センサにおいては、加速度
検出の応答性（加速度の検出するまでの時間）と検出感
度が重要である。応答性、検出感度はできるだけ高いこ
とが望ましい。本発明は、このような課題を解決しよう
とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は従来の加速度セ
ンサの課題を解決するためのものであり、小型軽量、高
精度で、かつ、応答性の高い３軸方向の加速度を検出で
きる加速度センサを提供する。

【０００８】板状の可撓部材と少なくとも検出用電極が
形成され該可撓部材の片面に固定される圧電素子と重錘
体を有するセンサ部と、該可撓部材の外周部を支持する
支持部材と、電子部品を搭載し接続端子を有する回路基
板と、該支持部材を固定し、該回路基板を支持するとと
もに外部との電気的導通をとる接続部材を有するベース
と、該センサ部および該回路基板を保護する保護部材を
備えるように構成する。また、前記回路基板は前記検出
用電極と対向する位置に固定され、前記回路基板の前記
接続端子にスルーホールを設け、前記検出用電極に一端
を固定したリード線の他端は、該スルーホールを通り、
適度なたるみ（リード線に張力がかからない程度）を保
ちながら前記接続端子に固定されるようにする。前記構
成をとることにより、リード線の長さを短く、かつ、ほ
ぼ同じ長さにすることができ、さらに適度なたるみを保
たせているため回路基板等から発生するノイズを拾いに
くくなる。仮にノイズを拾っても、リード線の長さがほ
ぼ同じであるので、各検出電極から検出されるノイズの
大きさは等しくなる。このため検出精度のバラツキが低
減される。さらに、前記リード線は前記検出用電極の前
記重錘体の固定部分より内側に形成されている部分に固
定する。加速度が加わっても変形が少ない場所にリード
線を固定することで、変形の大きい部分、すなわち電荷
の発生量の多い部分の面積を損なわないため検出出力が
大きくとれ、感度が上がる。

【０００９】前記可撓部材と前記圧電素子はろう付けに
より固定する。一般的には可撓部材と圧電素子は樹脂系
の接着剤によりお互いに固定される。しかしながら、加
速度センサの使われる用途によっては、より応答性の高
いものが望まれる場合がある。応答性をあげるためには
Ｑｍ（機械的品質係数）を高くするとよい。ろう付けに
よる固定は樹脂系の接着剤による固定よりＱｍ（機械的
品質係数）が高くなるため好ましい。これは可撓部材と
圧電素子の固定後の状態において、ろう材の方が樹脂系
の接着剤より硬いためである。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明を図面に基づき詳細に説明
する。図３は本発明の第一実施例で正面断面図である。
図４は本発明の第一実施例でＡＡより見た上面図であ
る。図の如く円板状の可撓部材２１の内部に原点２２を
定義し、原点２２を通り可撓部材２１の平面に平行な方
向にＸ軸を、原点２２においてＸ軸と直交し、かつ、可
撓部材２１の平面に平行な方向にＹ軸を、原点２２を通
り、かつ、可撓部材２１の平面に垂直な方向にＺ軸をそ
れぞれ定義する。

【００１１】円板状の可撓部材２１の上面には圧電素子
２３が、その面上中心とＺ軸とが一致するように固定さ
れている。可撓部材２１の下面には円柱形をした重錘体
２４が、その中心軸とＺ軸とが一致するように固定され
ている。可撓部材２１と圧電素子２３と重錘体２４とで
センサ部２０が構成される。また、可撓部材２１は外周
部分を支持部材２５で支持されている。支持部材２５に
は円状の貫通穴２５ａと、貫通穴２５ａと同心で半径が
大きい沈み部２５ｂが設けられている。ここで、貫通穴
２５ａ、沈み部２５ｂの中心軸はＺ軸と一致している。
沈み部２５ｂで可撓部材２１は位置決めされ支持され
る。

【００１２】圧電素子２３の上面には扇形をした４個の
検出電極２６が、Ｘ軸、Ｙ軸上で、かつ、Ｘ軸、Ｙ軸に
対して軸対称に形成されている。検出電極２６の円周部
は、Ｚ軸方向に力を加えたときに応力がゼロとなるライ
ン２７の内側に設けられている。さらに圧電素子２３の
上面には円環状をした検出電極２８が、ライン２７より
外側に設けられている。このように形成することで、３
軸方向の検出感度をほぼ等しくすることができる。圧電
素子２３の下面にはほぼ全面に電極２９が形成されてい
る。電極２９から４個の引き出し電極２９ａが圧電素子
２３の上面に引き出されている。

【００１３】ベース３１には上面から見てＸ軸、Ｙ軸と
交わる部分がほぼ垂直となるロの字状の側壁３１ａと４
個のＬ字状の突起部３１ｂが設けられている。支持部材
２５は側壁３１ａに平行な２面をガイドされ突起部３１
ｂと側壁３１ａに接着固定されている。これによりベー
ス３１とセンサ部２０との方向（位置関係）が決められ
る。ベース３１には接続部材としてフランジ部を有する
６本のピン３２が立てられて固定されている。ピン３２
の先端部には回路基板３３が検出電極２６、２８と対向
する位置に固定されている。ピン３２と回路基板３３と
はハンダ付けされ、ピン３２は回路基板３３を支持する
とともに外部との電気的導通をとっている。

【００１４】回路基板３３には電子部品が搭載され、加
速度センサの検出回路等が構成されている。また、回路
基板３３にはスルーホール３３ａが設けられている。圧
電素子２３上に形成されている検出電極２６の重錘体２
４上の部分と検出電極２８の外周部分と引き出し電極２
９ａにリード線３４の一端がハンダ付けされている。ス
ルーホール３３ａの位置と、リード線３４の固定されて
いる平面的位置はほぼ同じ位置に設定されている。一端
が圧電素子２３上に固定されたリード線３４の他端は、
スルーホール３３ａを通して回路基板３３上に出され、
スルーホール３３ａの近傍に設けられている接続端子３
３ｂに適度なたるみ（リード線に張力がかからない程
度）を保たせてハンダ付けされる。リード線３４により
検出電極２６、検出電極２８、電極２９と回路基板３３
との電気的接続がとられる。前記構成をとることによ
り、リード線３４の長さを短く、かつ、ほぼ同じ長さに
することができ、さらに適度なたるみを保たせているた
め回路基板３３等から発生するノイズを拾いにくくな
る。仮にノイズを拾っても、リード線３４の長さがほぼ
同じであるので、各検出電極から検出されるノイズの大
きさは等しくなる。このため検出精度のバラツキが低減
される。回路基板３３と圧電素子２３との距離が小さい
とさらにリード線３４の長さを短くでき好ましい。

【００１５】ベース３１には側壁３１ａをガイドとして
カバー３５が固定されている。カバー３５によりセンサ
部２０と回路基板３３と支持部材２５が保護されてい
る。

【００１６】可撓部材２１はスーパーインバー材を用い
た。重錘体２４はステンレス材（ＳＵＳ３０３）を用い
た。支持部材２５は金属材料を用いた。圧電素子２３は
圧電セラミックスであるＰＺＴを用い、電極は蒸着によ
りＡｇ−Ｃｒ合金で形成した。スパッタ、スクリーン印
刷等の方法で電極を形成してもかまわない。可撓部材２
１と圧電素子２３はろう付けで固定した。可撓部材２１
と重錘体２４はエポキシ系の接着剤により固定したが、
溶接等の方法で固定してもかまわない。可撓部材２１と
支持部材２５は接着剤で固定した。部材の材質および固
定方法は所定の機能を満たすものであればこれらに限定
されるものではない。好ましくは、お互いに熱膨張率の
近い材質を選ぶと良い。

【００１７】ベース３１は樹脂を用い、ピン３２は金属
材料を用いた。ピン３２はベース３１に圧入されて固定
されているが、インサート成形等で行ってもよい。カバ
ー３５は磁気による影響をなくすためパーマロイを用い
た。カバー３５は接着剤によりベース３１に固定されて
いる。また、カバー３５は回路のグランドに接続され、
ハムノイズなど加速度センサの外部に発生しているノイ
ズを遮蔽するシールドの役目をしている。さらに、たと
えばベース３１の上面で４個のＬ字状の突起部３１ｂに
囲まれた部分に金属製のシールド板を設け、回路のグラ
ンドに接続すると、よりノイズが遮蔽され好ましい。シ
ールド板の代わりにベース３１の上面にピン３２を避け
るように銀ペースト等を塗布してもかまわない。第一実
施例では、支持部材２５とベース３１と別体で構成した
が、一体で構成しても良い。この場合ベース３１（支持
部材２５）材料は樹脂等でかまわないが、さらに加速度
をセンサ部２０に伝達しやすくするには、ベース３１は
たとえば金属材料のように剛性の高い材料を用いると好
ましい。この場合ベース３１とピン３２は絶縁部材を介
して固定しなければならないが、金属材料を用いて回路
のグランドに接続することでノイズを遮蔽するシールド
効果も兼ねることができる。

【００１８】次に加速度の検出動作について説明する。
加速度センサに加速度が作用すると慣性力により重錘体
２４が移動することでセンサ部２０が変形し検出電極２
６、２８に電荷が発生する。図示していない検出回路と
検出電極２６、２８および基準電位となる電極２９（引
き出し電極２９ａ）とがリード線により接続されている
ため、４個の検出電極２６と検出電極２８に発生する電
荷の量により加速度の方向と大きさが検出できる。

【００１９】第一実施例では、圧電素子２３の上面に形
成されている電極の分極の向きをＺ軸方向で同じ向きに
してある。図５は加速度センサにＸ軸プラス方向の加速
度が加わった状態を示す一部断面をとった正面図であ
る。（電極は省略してある。）図６は加速度センサにＸ
軸マイナス方向の加速度が加わった状態を示す一部断面
をとった正面図である。（電極は省略してある。）加速
度センサにＸ軸マイナス方向の加速度が加わった場合
は、重錘体２４の振れる方向が図５と逆方向となる。加
速度センサにＸ軸プラス方向の加速度が加わった場合で
は、検出電極２６ａに発生する電荷はプラス、検出電極
２６ｂに発生する電荷はプラスとマイナスが相殺されて
ゼロ（以下、各検出電極に発生する電荷がゼロとなるも
のはこの理由による）、検出電極２６ｃに発生する電荷
はマイナス、検出電極２６ｄに発生する電荷はゼロ、検
出電極２８に発生する電荷はゼロとなる。ここで、検出
電極２６はＸ軸、Ｙ軸上で、かつ、Ｘ軸、Ｙ軸に対して
対称であるので、２６ａと２６ｃに発生するの電荷は、
符号は逆で大きさが等しくなる。検出電極２６ａと検出
電極２６ｃに発生する電荷を差動増幅することでＸ軸方
向の加速度の大きさと向きを検出する。加速度センサに
Ｘ軸マイナス方向の加速度が加わった場合では、検出電
極２６ａに発生する電荷はマイナス、検出電極２６ｂに
発生する電荷はゼロ、検出電極２６ｃに発生する電荷は
プラス、検出電極２６ｄに発生する電荷はゼロ、検出電
極２８に発生する電荷はゼロとなる。検出電極２６ａと
検出電極２６ｃに発生した電荷を差動増幅した結果は加
速度センサにＸ軸プラス方向の加速度が加わった場合と
符号が逆になり、加わった加速度の向きを特定できる。

【００２０】加速度センサにＹ軸方向の加速度が加わっ
た場合について説明する。加速度センサにＹ軸プラス方
向に加速度が加わった場合、検出電極２６ａに発生する
電荷はゼロ、検出電極２６ｂに発生する電荷はプラス、
検出電極２６ｃに発生する電荷はゼロ、検出電極２６ｄ
に発生する電荷はマイナス、検出電極２８に発生する電
荷はゼロとなる。ここで、検出電極２６はＸ軸、Ｙ軸上
で、かつ、Ｘ軸、Ｙ軸に対して対称であるので、２６ｂ
と２６ｄに発生するの電荷は、符号は逆で大きさが等し
くなる。検出電極２６ｂと検出電極２６ｄに発生する電
荷を差動増幅することでＹ軸方向の加速度の大きさと向
きを検出する。加速度センサにＹ軸マイナス方向の加速
度が加わった場合では、検出電極２６ａに発生する電荷
はゼロ、検出電極２６ｂに発生する電荷はマイナス、検
出電極２６ｃに発生する電荷はゼロ、検出電極２６ｄに
発生する電荷はプラス、検出電極２８に発生する電荷は
ゼロとなる。検出電極２６ａと検出電極２６ｃに発生し
た電荷を差動増幅した結果は加速度センサにＹ軸プラス
方向の加速度が加わった場合と符号が逆になり、加わっ
た加速度の向きを特定できる。

【００２１】図７は加速度センサにＺ軸プラス方向の加
速度が加わった状態を示す一部断面をとった正面図であ
る。（電極は省略してある。）図８は加速度センサにＺ
軸マイナス方向の加速度が加わった状態を示す一部断面
をとった正面図である。（電極は省略してある。）加速
度センサにＺ軸マイナス方向の加速度が加わった場合
は、重錘体２４の振れる方向が図７と逆方向となる。加
速度センサにＺ軸プラス方向の加速度が加わった場合、
検出電極２６ａ〜２６ｄに発生する電荷はプラス、検出
電極２８に発生する電荷はマイナスとなる。ここで、検
出電極２６はＸ軸、Ｙ軸上で、かつ、Ｘ軸、Ｙ軸に対し
て対称であるので、２６ａ〜２６ｄに発生するの電荷
は、符号が同じで大きさも等しくなる。検出電極２６ａ
と検出電極２６ｃ、検出電極２６ｂと検出電極２６ｄに
発生する電荷を差動増幅するためＸ軸、Ｙ軸方向に関す
る検出出力はゼロとなる。加速度センサにＺ軸マイナス
方向の加速度が加わった場合では、検出電極２６ａ〜２
６ｄに発生する電荷はマイナス、検出電極２８に発生す
る電荷はプラスとなる。検出電極２６ａと検出電極２６
ｃ、検出電極２６ｂと検出電極２６ｄに発生する電荷を
差動増幅するためＸ軸、Ｙ軸方向に関する検出出力はゼ
ロとなる。検出電極２８に発生する電荷の符号と大きさ
でＺ軸方向の加速度の向きと大きさが検出できる。

【００２２】

【発明の効果】本発明は前記のような構成にすることで
次のような効果が生じる。１リード線の長さを短く、かつ、ほぼ同じ長さにする
ことができ、さらに適度なたるみを保たせているため回
路基板等から発生するノイズを拾いにくくなり、また、
各検出電極に発生したノイズも等しくなる。従って、ノ
イズが低減して検出精度が上がる。２ろう付けによりＱｍ（機械的品質係数）が上がり、
応答性が良くなる。３リード線を加速度が加わったときに検出用電極の変
形しにくい部分に固定することで、電荷の発生量の多い
部分の面積を損なわず、感度が上がる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は従来技術による加速度センサの代表的な
例で正面断面図。

【図２】図２は従来技術による加速度センサの代表的な
例で圧電素子側から見た平面図。

【図３】本発明に係る加速度センサの第一実施例で正面
断面図。

【図４】本発明に係る加速度センサの第一実施例でＡＡ
より見た上面図。

【図５】本発明に係る加速度センサの第一実施例で加速
度センサにＸ軸プラス方向の加速度が加わった状態を示
す一部断面をとった正面図。

【図６】本発明に係る加速度センサの第一実施例で加速
度センサにＸ軸マイナス方向の加速度が加わった状態を
示す一部断面をとった正面図。

【図７】本発明に係る加速度センサの第一実施例で加速
度センサにＺ軸プラス方向の加速度が加わった状態を示
す一部断面をとった正面図。

【図８】本発明に係る加速度センサの第一実施例で加速
度センサにＺ軸マイナス方向の加速度が加わった状態を
示す一部断面をとった正面図。

【符号の説明】

１基板２圧電素子３検出電極４検出電極５検出電極６検出電極７重錘体２０センサ部２１可撓部材２２原点２３圧電素子２４重錘体２５支持部材２５ａ貫通穴２５ｂ沈み部２６検出電極２６ａ検出電極２６ｂ検出電極２６ｃ検出電極２６ｄ検出電極２７ライン２８検出電極２９電極２９ａ引き出し電極３１ベース３１ａ側壁３１ｂ突起部３２ピン３３回路基板３３ａスルーホール３３ｂ接続端子３４リード線３５カバー

フロントページの続き (72)発明者畠山稔長野県北佐久郡御代田町大字御代田4107番地５ミヨタ株式会社内 (72)発明者半田正人長野県北佐久郡御代田町大字御代田4107番地５ミヨタ株式会社内 (72)発明者岡田恵也長野県北佐久郡御代田町大字御代田4107番地５ミヨタ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】板状の可撓部材と少なくとも検出用電極
が形成され該可撓部材の片面に固定される圧電素子と重
錘体を有するセンサ部と、該可撓部材の外周部を支持する支持部材と、電子部品を搭載し接続端子を有する回路基板と、該支持部材を固定し、該回路基板を支持するとともに外
部との電気的導通をとる接続部材を有するベースと、該センサ部および該回路基板を保護する保護部材を備え
ることを特徴とする加速度センサ。
【請求項２】回路基板は検出用電極と対向する位置に
固定され、該回路基板の接続端子にスルーホールを設け、該検出用
電極に一端を固定したリード線の他端は、該スルーホー
ルを通り、適度なたるみを保ちながら該接続端子に固定
されることを特徴とする請求項１記載の加速度センサ。
【請求項３】リード線は検出用電極の重錘体固定部分
より内側に形成されている部分に固定されることを特徴
とする請求項１または請求項２記載の加速度センサ。
【請求項４】可撓部材と圧電素子はろう付けにより固
定されていることを特徴とする請求項１、請求項２また
は請求項３記載の加速度センサ。