JPH10170545A - 加速度センサの自己診断機能及び自己診断機能付き加速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 電極形状を複雑にせずに自己診断をする方法
と自己診断機能付きの３軸の加速度センサを得る。 【解決手段】 可撓部材２１と圧電素子２３と重錘体２
４とでセンサ部２０が構成される。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２
８が、ライン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２
９が形成されている。電極２９から４個の引き出し電極
が圧電素子２３の上面に引き出されている。

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
速度センサの自己診断機能及び自己診断機能付き加速度
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】近年、加速度センサに
おいては、正常に機能するかどうか使用するときに自動
的に診断する自己診断機能付きのものが市場で望まれる
ようになってきている。特に自動車に取り付けられるも
のについては、その安全性の観点からも要望が強い。ま
た、コスト的、スペース的な面から、一つの加速度セン
サで一方向だけではなく多方向の検出ができるものが望
まれていた。このような要望に答えるものとして、前述
の従来例で示したような加速度センサが発明されてい
る。ところが、従来例のように３軸方向の加速度を検出
するためには、検出電極の形状が複雑になる。ここに新
たに自己診断用の検出電極を設けるとさらに電極形状は
複雑になり、加速度の検出に用いる電極の面積が小さく
なる。従って、検出感度が小さくなり、電極の形状が複
雑化することにより加工精度を上げないと形成された電
極の位置のズレなどにより各軸間の検出感度の差が生
じ、検出精度が低下する。本発明は、加速度の検出と自
己診断による検出を検出電極が兼ねることで解決しよう
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、小型軽量で、
高感度、高精度な３軸方向の検出ができる自己診断機能
付き加速度センサを提供する。

【０００８】板状の可撓部材と、該可撓部材の表面に貼
付される電極を設けた圧電素子と、該可撓部材に直接ま
たは間接的に貼付される重錘体と、該可撓部材の外周を
直接または間接的に支持する支持部材を有する自己診断
機能付き加速度センサにおいて、板状の可撓部材の内部
に原点を定義し、この原点を通り該可撓部材の平面に平
行な方向にＸ軸を、原点においてＸ軸と直交し、かつ、
該可撓部材の平面に平行な方向にＹ軸を、原点を通り、
かつ、該可撓部材の平面に垂直な方向にＺ軸をそれぞれ
定義したとき、該圧電素子の表面に形成される検出電極
は、中心側に４個の電極が配置され、かつ、該４個の電
極を囲むように円環状の電極が配置されるとともに、Ｘ
軸、Ｙ軸に対して対称に形成される。

【０００９】前述のように加速度センサが構成された場
合、重錘体にＺ軸方向の力を加えたときに圧電素子の表
面に生ずる応力は次のようになる。重錘体の固定されて
いる端面の円周部に絶対値が最大となる応力が現れる。
そこから半径方向外周側に行くに従い、応力の絶対値は
減少し、ある半径の時に応力がゼロとなる。さらに外周
側に行くに従い、今度は符号の異なる応力が現れ、応力
の絶対値は徐々に大きくなる。（機械工学便覧 Ａ４
材料力学 第５章平板の曲げ 参照） 前記４個の検出電極は、Ｚ軸方向に力を加えたときに半
径方向に生ずる応力がゼロとなるライン（半径）よりも
内周側に配置され、前記円環状の検出電極は外周側に配
置される。この場合、電荷が効率よく発生し、感度を上
げることができる。また、前記重錘体は、前記可撓部材
に直接または間接的に貼付される面の形状が前記重錘体
の中心軸を中心とする円形であると好ましい。各軸方向
における検出感度に差がなくなるためである。

【００１０】検出電極は加速度の検出と自己診断機能に
よる検出とを兼ねて行うようにする。新たに電極を形成
せずに自己診断機能を付加できる。これにより電極の面
積が小さくならず感度を下げずに済む。また、電極形状
が複雑にならず、加工精度を上げなくて済む。

【００１１】検出電極を用いて施される分極の向きは同
一の向きにする。そして、円環状の電極を用いて励振
し、４個の電極から出力される検出出力により故障判断
をする。自己診断機能を付加しても回路が複雑にならず
安価に製造できる。また簡単に自己診断ができる。

【００１２】

【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上面図である。図４
は本発明の第一実施例で正面断面図である。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２
２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。

【００１３】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貼付さ
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貼付され
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。

【００１４】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。

【００１５】可撓部材２１はバネ性のある金属板材を用
いた。重錘体２７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
２１と圧電素子２３はエポキシ系の接着剤で接合した。
可撓部材２１と重錘体２７もエポキシ系の接着剤より固
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。

【００１６】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２６、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強さが検出で
きる。

【００１７】圧電素子２３の上面に形成されている電極
の分極はＺ軸方向で同じ向きに施されている。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。

【００１８】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。

【００１９】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。

【００２０】第一実施例では図４の如く重錘体２４が貼
付され固定されているが、圧電素子２３の上面側に貼付
してもかまわない。その際に重錘体２４により検出電極
２６が短絡しないように絶縁する必要がある。また電気
的に短絡しないように構成すれば圧電素子２３の外周部
分を支持部材で支持してもかまわない。

【００２１】次に自己診断機能について説明する。図９
は本発明の第一実施例でフローチャート図である。フロ
ーチャート図に従って説明をしていく。検出電極２８に
交流をかけてセンサ部２０を励振させる。検出電極２８
に交流をかけると圧電素子２３が径方向に伸縮すること
により、可撓部材２１もいっしょにＺ軸方向に振動す
る。励振方法は、自励振でも他励振でもかまわない。励
振させた状態で、検出電極２６ａ〜２６ｄの出力電圧を
測定する。検出電極２６ａ〜２６ｄのそれぞれの出力電
圧（Ｖ（２６ａ）、Ｖ（２６ｂ）、Ｖ（２６ｃ）、Ｖ
（２６ｄ））の絶対値が、正常、異常の判定をする判定
電圧Ｖ０よりすべて同じか大きい場合は正常と判断す
る。どれか一つでも判定電圧Ｖ０より小さいものがある
場合は異常と判断する。

【００２２】用途によっては、三軸方向のすべての方向
で正常に機能しなくても良い場合も考えられる。このよ
うな場合は、どの方向の検出が異常なのかを把握して制
御する必要がある。その方法を以下に述べる。検出電極
２６ａ〜２６ｄのそれぞれの出力電圧（Ｖ（２６ａ）、
Ｖ（２６ｂ）、Ｖ（２６ｃ）、Ｖ（２６ｄ））の絶対値
が、正常、異常の判定をする判定電圧Ｖ０よりすべて小
さいか調べる。すべて小さい場合は、検出電極２８が異
常であるか、または、４個の検出電極２６がすべて異常
であると考えられる。検出電極２６ａ〜２６ｄのそれぞ
れの出力電圧（Ｖ（２６ａ）、Ｖ（２６ｂ）、Ｖ（２６
ｃ）、Ｖ（２６ｄ））の絶対値のうち一つでも、正常、
異常の判定をする判定電圧Ｖ０より同じか大きい場合
は、検出電極２８は正常と判断する。次に４個の検出電
極２６の個々について、すなわち、検出電極２６ａ〜２
６ｄのそれぞれの出力電圧（Ｖ（２６ａ）、Ｖ（２６
ｂ）、Ｖ（２６ｃ）、Ｖ（２６ｄ））の絶対値が、正
常、異常の判定をする判定電圧Ｖ０より小さいかを調べ
ていく。小さい場合はその検出電極が異常であると判断
する。

【００２３】図１０は本発明の第二実施例で別の方法に
よるフローチャート図である。フローチャート図に従っ
て説明をしていく。検出電極２８に交流をかけてセンサ
部２０を励振させる。励振させた状態で、検出電極２６
ａ〜２６ｄの出力電圧を測定する。検出電極２６ａ〜２
６ｄのそれぞれの出力電圧（Ｖ（２６ａ）、Ｖ（２６
ｂ）、Ｖ（２６ｃ）、Ｖ（２６ｄ））の和の絶対値を求
める。それが、正常、異常の判定をする判定電圧Ｖ０の
４倍より同じか大きい場合は正常と判断し、小さい場合
は異常と判断する。この方法では、単純に正常が異常か
を判断すればよい場合に用いると良い。また、正常、異
常を判定する回路を簡単に構成できる利点を有する。４
個の検出電極２６と検出電極２８の分極の向きを同一に
したことにより前述のように簡単に自己診断ができる。

【００２４】

【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 検出電極は加速度の検出と自己診断機能による検出
とを兼ねて行うため、電極が複雑化せず、３軸の加速度
センサにおいても自己診断機能を付加できる。 ２ 自己診断機能が付加されても加速度の検出に用いる
電極の面積が小さくならず、検出感度が落ちない。 ３ 自己診断機能が付加されても電極の形状が複雑化せ
ず、電極の位置のズレなどによる各軸間の検出感度の差
が生じない。検出精度も低下しない。 ４ ４個の検出電極２６と検出電極２８の分極の向きを
同一にしたことにより簡単に自己診断ができる。

【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で正面断面
図。

【図２】図２は従来技術による加速度センサで圧電素子
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上面
図。

【図４】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。

【図９】本発明に係る加速度センサの第一実施例でフロ
ーチャート図。

【図１０】本発明に係る加速度センサの第二実施例でフ
ローチャート図。

【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

───────────────────────────────────────────────────── 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 (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 板状の可撓部材と、該可撓部材の表面に
   貼付される電極を設けた圧電素子と、該可撓部材に直接
   または間接的に貼付される重錘体と、該可撓部材の外周
   を直接または間接的に支持する支持部材を有する加速度
   センサの、板状の可撓部材の内部に原点を定義し、この
   原点を通り該可撓部材の平面に平行な方向にＸ軸を、原
   点においてＸ軸と直交し、かつ、該可撓部材の平面に平
   行な方向にＹ軸を、原点を通り、かつ、該可撓部材の平
   面に垂直な方向にＺ軸をそれぞれ定義し、該圧電素子の
   表面に検出電極として中心側に４個の電極を配置し、か
   つ、該４個の電極を囲むように円環状の電極を配置する
   とともに、Ｘ軸、Ｙ軸に対して対称に形成し、該円環状
   の電極に交流を印加して励振させ、該４個の電極で検出
   される電荷量で故障判断をすることを特徴とする加速度
   センサの自己診断機能。
2. 【請求項２】 板状の可撓部材と、該可撓部材の表面に
   貼付される電極を設けた圧電素子と、該可撓部材に直接
   または間接的に貼付される重錘体と、該可撓部材の外周
   を直接または間接的に支持する支持部材を有する自己診
   断機能付き加速度センサにおいて、板状の可撓部材の内
   部に原点を定義し、この原点を通り該可撓部材の平面に
   平行な方向にＸ軸を、原点においてＸ軸と直交し、か
   つ、該可撓部材の平面に平行な方向にＹ軸を、原点を通
   り、かつ、該可撓部材の平面に垂直な方向にＺ軸をそれ
   ぞれ定義したとき、該圧電素子の表面に形成される検出
   電極は、中心側に４個の電極が配置され、かつ、該４個
   の電極を囲むように円環状の電極が配置されるととも
   に、Ｘ軸、Ｙ軸に対して対称に形成され、該検出電極は
   加速度の検出と故障判断をする自己診断機能とを兼ねて
   行うことを特徴とする自己診断機能付き加速度センサ。
3. 【請求項３】 検出電極を用いて施される分極の向きは
   同一の向きであることを特徴とする請求項２記載の自己
   診断機能付き加速度センサ。