JPS61259175A - 圧電型力学量センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、圧電素子を用いた力学量センサ、特に車両用
の加速度センサとして好適な力学量センサに関するもの
である。

〔従来技術〕

圧電素子を用いた加速度センサとしては、例えば公開特
許公報昭和５９年２３２２３号に示されているものがあ
る。

第３図は、上記の加速度センサの全体構造の断面図及び
圧電素子の平面図である。

第３図において、圧電素子５０は、円板型の圧電セラミ
ックスを２枚張り合わせたものであり、その中心部付近
にレーザ加工によって“コ”の字形のスリット５１を設
け、このスリットで囲まれた部分が片持梁５２を形成す
るようになっている。

上記のごとき円板型の圧電素子５０の周辺部を筐体５３
に取付は部材５４で固定することにより、片持梁５２の
部分がたわみ振動子として機能する。

なお、５６は電子回路基板であり、各種の電子部品５７
を搭載し、取付は部材５５によって筐体５３に取付けら
れている。

また、上記の圧電素子５０の片持梁５２の部分と電子回
路基板５６上に形成されている検出用の電子回路とを接
続するために、リード線５８が設けられている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記のごとき従来の圧電素子を用いた加速度センサにお
いては、検出部が片持梁構造であるため、加速度が印加
された場合におけるたわみ応力が片持梁の支持部周辺に
集中するので、長期間に亘って安定した特性を保持する
ことが難しいという問題がある。

また、検出部である片持梁の形状が非対称になると加速
度の印加される方向によって感度が変化してしまうため
、片持梁の形状は正確Ｃト対称形で　“ある必要がある
。そのため、高い加工精度が要求され、例えば、レーザ
加工という特殊なコストの高い加工方法を用いる必要が
あった。

本発明は、上記のごとき従来技術の問題を解決すること
を目的とするものである。

（問題を解決するための手段〕 上記の目的を達成するため、本発明においては、少なく
とも２個の部材を組み合わせることによって密閉構造と
なる筐体と、円形の金属薄板の少なくとも周辺部を除い
た部分に円形薄板状の圧電素子を接着した圧電ダイアフ
ラムと、該圧電ダイアフラムの周辺部を上記筐体内部に
固定する弾性材からなる支持部材と、上記圧電素子の出
力信号を処理する電子回路とを備え、上記筐体内部に上
記圧電ダイアフラムと上記電子回路とを装着し、上記圧
電素子と上記電子回路とをリード線で接続し、上記筐体
を組み合わせて密閉することにより、上記圧電ダイアフ
ラムに外部から力学量が印加された場合に上記圧電素子
に生ずる電気信号を取り出すことによって印加された力
学量を検出するように構成し、また上記圧電ダイアフラ
ム及び上記電子回路を筐体外部から完全に密封するよう
に構成している。

また本発明の他の構成においては、上記の構成に加えて
、上記圧電ダイアフラムにその表裏両面を連通ずる小孔
を設けている。

このように構成することにより、圧電ダイアフラムの表
裏両面の気圧を常に同一に保つことが出来るので、圧電
ダイアフラムを密閉したことによる悪影響を除去するこ
とが出来る。

〔発明の実施例〕

第１図は、本発明の全体の構成を示す一実施例の断面図
である。

第１図において、１は圧電ダイアフラム、２は筐体の下
半部、３は筐体の上半部であり、圧電ダイアフラム１は
、ポリウレタン等の弾性材からなる支持部材４を介して
筐体２，３に装着されている。

なお、圧電ダイアフラム１及び支持部材４の詳細につい
ては、後述する。

また、筐体２．３は、ポリアセタール等の材料で作られ
、両者はバイブレーション溶着等によって完全密封する
ように固着されている。

また、検出信号を増幅したりフィルタリングする電子回
路を構成する電子部品６は、電子回路基板５上に載置さ
れ、電子回路基板５は、ネジ留め等によって筐体２に装
着されている。

また、圧電ダイアフラム１の圧電素子と電子回路基板５
上の電子回路とは、リード線１３．１４によって接続さ
れている。

圧電素子は、一般に、極めて高インピーダンスであるた
め、リード線が長くなると、その静電容量等による悪影
響が生じるが、上記のごとく、圧電ダイアフラムと電子
回路とを筐体内部の極めて近い位置に装着することによ
り、上記の悪影響を防止することが出来る。

また、上記の電子回路基板５及び電子部品６の部分は、
筐体２と３とを組み合わせて溶着した後、筐体２に設け
た小孔（図示せず）からポリウレタン等のボッティング
材７を流し込むことによって弾性的に固定すると共に、
密封している。

また、８は、検出信号を外部へ取り出す外部リード線で
ある。

次に、第２図は、前記の圧電ダイアフラム１と支持部材
４との一実施例の正面図及びＡ−Ａ’断面図である。

第２図において、金属薄板１０の両面には、それぞれ圧
電素子１１．１２がエポキシ系樹脂等の接着剤によって
接着されている。

なお、圧電素子１１．１２は、金属薄板１０よりも小面
積のものを用い、圧電ダイアフラム１の周辺部には金属
薄板１０が露出している。

圧電素子は、焦電性のために温度変化に応じて電圧が発
生するので、上記のように２枚の圧電素子を反対の出力
特性となるように張り合わせることによって焦電出力を
除去している。

また、金属薄板１０は、圧電素子１１．１２と熱膨張を
できるだけ同じ値にする必要があり、そのため、例えば
圧電素子１１．１２としてＰ、Ｚ、Ｔを用いた場合には
、それと熱膨張率の近いＮｉ−Ｆｅ合金を用いる。

また、リード線１３．１４は、例えばスズメッキ軟鋼か
らなる細い線をより合わせて形成されており。

表面は耐久性の点からポリウレタン材で被覆されている
。

上記のリード線１３．１４の一端を圧電素子１１．１２
の所定部分にハンダ付けし、そのハンダ付けした接合部
全体をポリウレタン等の緩衝材（弾性材）１５、１７で
覆っている。

また、リード線１３．１４は、たわみ等によって所定の
遊びを持たせた後、その中間部分がポリウレタン等の緩
衝材１６．１８によって圧電ダイアフラムの周辺部の金
属薄板１０の一部に固定されている。

また、１９は、空気通路となる小孔であり、圧電ダイア
フラムの表裏両面を連通ずるように設けられている。

次に、支持部材４は１例えばポリウレタン等の合成樹脂
で形成されており、圧電ダイアフラムの外周部の表裏両
面を所定の幅及び厚さで覆う形状に形成されている。

このような支持部材４を形成するには、支持部材４の形
状をした金型に圧電ダイアフラムをセツティングし、そ
の金型にポリウレタン材を流し込み、乾燥した後、金型
から取り外すことによって成形することができる。

上記のようにして形成した圧電ダイアフラム１と支持部
材４とが一体化されたものを、前記第１図の筐体２及び
３の所定個所にはめ込み、筐体２及び３をバイブレーシ
ョン溶着等の手段によって接合することにより、圧電ダ
イアフラムを筐体に装着する。

なお、ポリウレタン材は、シリコンゴム等に較べて吸水
率が低く、かつＨ，ＳやＳ０２等の腐蝕性ガスに対して
も強く、しかも低コストである。

次に作用を説明する。

圧電ダイアフラム１に、加速度等の力学量が印加される
と、その力学量に応じて圧電ダイアフラム１がたわみ、
それによって圧電素子１！、１２に電圧が発生する。上
記の電圧を電子回路で増幅及びフィルタリングすること
により、印加された力学量に比例したアナログ電圧信号
を得ることが出来、それを外部リード１ＩＩＡ８を介し
て外部に送出する。

上記のごとく、本発明の構成においては、円板状の圧電
ダイアフラムを用いているので、印加される力学量に応
じて圧電ダイアフラムが均等にたわむ。そのため従来例
のととく片持梁の支持部付近にのみ応力が印加されるこ
とによる不都合は全く解消される。

また圧電ダイアフラムと電子回路とが密閉構造の筐体内
部に装着され、外部から完全に密封されるので、水蒸気
の混入によって圧電素子の電荷がリークするおそれが無
く、また腐食性ガスの混入によって圧電ダイアフラムが
侵されることも無い。

また圧電ダイアフラムと電子回路とを筐体内部の極めて
近い位置に装着することにより、両者を接続するリード
線の静電容量等による悪影響も防止することが出来る。

次に、圧電ダイアフラム１に設けた小孔１９についで説
明する。

本発明においては、圧電ダイアフラムを密閉構造の筐体
の内部に装着するように構成している。

そのため筐体内部に、圧電ダイアフラムを境にして二つ
の密閉室が形成される。

例えば前記第１図において、圧電ダイアフラム１と筐体
２とで囲まれた部分と、圧電ダイアフラム１と筐体３と
で囲まれた部分とが、それぞれ密閉室となる。

上記のように圧電ダイアフラムの表面と裏面にそれぞれ
密閉室が形成されていると、外部から筐体を介して一方
の密閉室に音響振動が加えられたり、或は筐体の一部が
加熱又は冷却されて二つの密閉室の温度に差が生じた場
合に、二つの密閉室の気圧に差が生じるので、圧電ダイ
アフラムが変位し、それが圧電素子の出力信号にノイズ
となって重畳される。

また外部から力学量が印加されて圧電ダイアフラムが変
位した場合に、一方の密閉室の空気は圧縮されて気圧が
上昇し、他方の密閉室の気圧は低下して、それが圧電ダ
イアフラムの変位を妨げる働きをするので、感度が低下
するという問題も生じる。

小孔１９は、上記の問題を解決するために設けたもので
あり、この小孔１９によって圧電ダイアフラムの表裏両
面の空気を連通ずることにより、圧電ダイアフラムの表
裏両面の気圧は、常に同一となるので、上記のごとき種
々の問題の発生を防止することが出来る。

なお、圧電ダイアフラムの表裏両面の気圧を同一にする
には、筐体２，３に圧電ダイアフラム１の表裏の室を連
通する連通管を設けても良いが、構造が複雑になるので
、前記のごとく、圧電ダイアフラムに小孔を設ける方が
有利である。

なお、上記の説明においては、加速度センサに本発明を
適用した場合を例示したが、圧力、振動等の他の力学量
を測定するセンサについても本発明を適用できることは
勿論である。

〔発明の効果〕

以上説明したごとく本発明においては、力学量の検出部
として、円板状の圧電ダイアフラムを用いているので、
検出部が対称形状であるため、本来の検出方向以外の感
度は有しない。したがってＳ／Ｎ比が向上すると共に検
出方向の感度もリニアで安定したものとなる。

また外力が印加された場合に、圧電ダイアフラム全体が
均一にたわみ、たわみ応力が一部分に集中することがな
いので、長期間にわたって安定した出力を得ることが出
来る。

また圧電ダイアフラム及び電子回路を密閉し。

外部環境から完全に遮断しているので、水蒸気や腐食性
ガスによって侵されるおそれがなく、過酷な使用環境で
も長期にわたって安定した出力を得ることが出来る。

また圧電ダイアフラムの表裏両面を貫通する小孔を設け
、圧電ダイアフラムの表裏両面の気圧を常に同一に保つ
ように構成しているので、圧電ダイアフラムを密封した
ことによる悪影響を解消することが出来る等、多くの優
れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の全体の構成を示す一実施例の断面図、
第２図は圧電ダイアフラム及び支持部材の一実施例の正
面図及びＡ−Ａ’断面図、第３図は従来装置の一例の断
面図及び圧電素子の平面図である。 〈符号の説明〉 １・・・圧電ダイアフラム　２，３・・・筐体４・・・
支持部材　　　　　５・・・電子回路基板６・・・電子
部品　　　　　７・・・ポツティング材８・・・外部リ
ード線　　　１０・・・金属薄板１１、１２・・・圧電
素子　　　１３．１４・・・リード線１５〜１８・・・
緩衝材　　　　１９・・・小孔代理人弁理士　　中　村
　純之助 矛１　図 ！ １−−一斤電ダイアフラム ２−一一面イ本（千手−￥倹） ３−ｍ−筺　イ本　江　牟４Ｐ） ４−一一支特七や才炙 ５−−一電１回路基ギ反 ６−−−　雫５七やも ７−−−　亦−デ４〉フ゛オ矢 ８−−一　タト薯貸す咋ぎ未 １３．１４−ｍ−す−ド季栗 １Ｐ２図 、ｌ’ｊ−−−，１・多し

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくとも２個の部材を組み合わせることによっ
   て密閉構造となる筐体と、円形の金属薄板の少なくとも
   周辺部を除いた部分に円形薄板状の圧電素子を接着した
   圧電ダイアフラムと、該圧電ダイアフラムの周辺部を上
   記筐体内部に固定する弾性材からなる支持部材と、上記
   圧電素子の出力信号を処理する電子回路とを備え、上記
   筐体内部に上記圧電ダイアフラムと上記電子回路とを装
   着し、上記圧電素子と上記電子回路とをリード線で接続
   し、上記筐体を組み合わせて密閉することにより、上記
   圧電ダイアフラム及び上記電子回路を筐体外部から完全
   に密封した構造を有する圧電型力学量センサ。
2. （２）少なくとも２個の部材を組み合わせることによっ
   て密閉構造となる筐体と、円形の金属薄板の少なくとも
   周辺部を除いた部分に円形薄板状の圧電素子を接着した
   圧電ダイアフラムと、該圧電ダイアフラムの周辺部を上
   記筐体内部に固定する弾性材からなる支持部材と、上記
   圧電素子の出力信号を処理する電子回路とを備え、上記
   筐体内部に上記圧電ダイアフラムと上記電子回路とを装
   着し、上記圧電素子と上記電子回路とをリード線で接続
   し、上記筐体を組み合わせて密閉することにより、上記
   圧電ダイアフラム及び上記電子回路を筐体外部から完全
   に密封した構造を有し、かつ、上記圧電ダイアフラムに
   その表裏両面を連通する少なくとも一つの小孔を設けた
   圧電型力学量センサ。