| 【発明の名称】 |
加速度センサ |
| 【発明者】 |
【氏名】中野 泰之
【氏名】浅野 勝吾
【氏名】馬場 啓之
【氏名】関野 晴彦
【氏名】福田 徹
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| 【要約】 |
【課題】構造が簡素で、検出素子の実装基板への実装が簡易かつ迅速にでき、実装時の検出素子の高さを抑えることができる、小型、高感度で低コストの加速度センサを提供する。
【解決手段】板厚方向と直交する板厚直交方向に分極処理され一面側で所定の実装基板20に実装される板状の圧電体11と、圧電体11の前記一面側で実装基板20に接続される第１の検出電極13と、少なくとも一部が圧電体11の他面側で第１の検出電極13に対向する第２の検出電極12と、を有するユニモルフ構造の検出素子10を備え、板厚直交方向の加速度に応じ圧電体11にせん断歪みを生じさせて前記加速度を検出する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】板厚方向と直交する板厚直交方向に分極処理され一面側で所定の実装基板に実装される板状の圧電体と、前記圧電体の前記一面側で前記実装基板に接続される第１の検出電極と、少なくとも一部が前記圧電体の他面側で前記第１の検出電極に対向する第２の検出電極と、を有するユニモルフ構造の検出素子を備え、前記板厚直交方向の加速度に応じ前記圧電体にせん断歪みを生じさせて前記加速度を検出することを特徴とする加速度センサ。
【請求項２】前記第１の検出電極が前記圧電体の前記一面を覆う電極であり、前記第２の検出電極が前記圧電体の前記他面を覆う電極であることを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
【請求項３】前記圧電体の前記他面側に固定された錘体と、前記錘体の表面に設けられ前記第２の電極に接続された電荷取り出し電極と、を備え、前記加速度に応じた略せん断方向の力が、前記錘体から前記検出素子に加わるようにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の加速度センサ。
【請求項４】前記圧電体が、圧電セラミックス若しくは圧電性単結晶で構成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の加速度センサ。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、加速度センサ、特に圧電効果を利用する検出素子を備えた加速度センサで、内燃機関や電気モータにより走行する車両等において加速度を測定又は検出するのに好適な加速度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の加速度センサとしては、電磁型、圧電型、半導体型等の各種方式のものが知られているが、車両等に使用される加速度センサでは、圧電材料の電気・機械変換特性を利用して高検出感度を得るようにした圧電型が多用されている。また、高い周波数領域の加速度を測定する場合、例えば自動車のエアバッグシステムに衝撃感知用センサとして使用されるような場合に対応すべく、バイモルフ構造を採用して出力増大を図ると共に検出素子の共振周波数を高くしたものが多用されている。なお、エアバッグシステムにおいては、その急激な普及に伴い、加速度センサ及びエアバッグコントローラ自体の小型化、低コスト化、高性能化が要求されており、その加速度センサは衝突加速度を高精度検出する必要がある。
【０００３】この種の加速度センサとしては、例えば図６〜図１２に示すようなものがある。
【０００４】図８及び図９において、１はシールドケースに固定されたベースユニットであり、ベースユニット１の中央部には位置決めピン２ａを有する突起部２が電気的絶縁状態で設けられている。３はベースユニット１の突起部２に位置決めされ溶接固定された振動子であり、この振動子３は、図１０に示すように、振動板４と、その表裏両面に圧電セラミックス素子５，６とで構成されている。また、図１１に示すように，圧電セラミックス素子５，６はそれぞれの両面にセンサ出力用の正負の環状電極５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂと自己診断用の正負の環状電極５ｃ，５ｄ，６ｃ，６ｄとを焼付け等により形成したものであり、圧電セラミックス素子５の負の電極５ｂ，５ｄと圧電セラミックス素子６の正の電極６ａ，６ｃとを互いに対向させてこれら対向電極間をそれぞれ導通接続することにより、検出素子としての静電容量を倍にし、両圧電素子５，６の焦電効果（熱エネルギーを吸収して自発分極の変化を起こし、その変化量に比例して表面に電荷が誘起される現象を生じる）を相殺するようにしている。なお、図８において、１ａはグランド（ＧＮＤ）用のリードピン、１ｂは出力用リードピン、１ｃは電源供給用リードピン、１ｄは素子駆動用リードピンであり、これらリードピン１ａ〜１ｄはそれぞれベースユニット１を支持する部材を兼用する構成となっている。
【０００５】この加速度センサでは、振動子３に図９中の上下方向の加速度が加わるとき、振動板４が一面側で凸、他面側で凹となる変形（撓み）を生じ、このとき、圧電セラミックス素子５，６のうち一方が引き伸ばされ、他方が圧縮されることで、各圧電セラミックス素子５及び６の発生電圧を、電極５ａ，６ｂからボンディングワイヤ７ａ，７ｂ等を介して信号処理回路を含む信号処理基板８に出力することができる。
【０００６】なお、自己診断用の正負の環状電極５ｃ，６ｄの間に駆動回路９（図１０参照）からボンディングワイヤ７ｃ，７ｄ等を介して電圧（例えば交流電圧）を印加することで、圧電セラミックス素子５，６により振動板４を撓ませ（振動させ）、この撓みにより内側電極５ａ．６ｂより電荷が発生し、この出力電圧を故障チェック等の自己診断や較正用の出力として利用するようになっている。また、図１２に示すように、振動板４の上面側には環状突起４ａが形成されており、圧電セラミックス素子５，６を振動板４に接着固定する際の接着剤流れをこの環状突起４ａにより防止するようになっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従来の加速度センサにあっては、加速度検出用の圧電セラミックス素子５，６を振動板４の両面に貼り付け、それら振動板４及び圧電セラミックス素子５，６を位置決め用の突起部２を介してベースユニット１に支持させる構成となっていたため、検出素子を回路基板に直接実装することができず、構造が複雑であるばかりでなく検出方向と直交する方向にかさばる構造となっていた。
【０００８】そのため、検出すべき加速度（振動、衝撃）によって検出方向とは異なる方向に不要な振動等が生じ易く、小型化を図りながら検出精度の向上を図ることが困難であった。
【０００９】しかも、電極５ａ，６ｂ及び電極５ｂ，６ｄと、これらから離れた実装基板８とを、ボンディングワイヤ７ａ，７ｂ及び７ｃ，７ｄ、更に端子７ｅ，７ｆ，７ｇを介して電気接続していたため、構造の複雑さのみならず、実装工程も複雑で手間のかかるものとなり、コスト高を招いていた。なお、端子７ｆは信号処理基板８を介してリードピン１ｄと接続されており、このリードピン１ｄより故障（自己）チェック信号が入力される。
【００１０】そこで本発明は、構造が簡素で、検出素子の実装基板への実装が簡易かつ迅速にでき、実装時の検出素子の高さを抑えることができる、小型で低コストの加速度センサを提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため、請求項１記載の発明に係る加速度センサは、板厚方向と直交する板厚直交方向に分極処理され一面側で所定の実装基板に実装される板状の圧電体と、前記圧電体の前記一面側で前記実装基板に接続される第１の検出電極と、少なくとも一部が前記圧電体の他面側で前記第１の検出電極に対向する第２の検出電極と、を有するユニモルフ構造の検出素子を備え、前記板厚直交方向の加速度に応じ前記圧電体にせん断歪みを生じさせて前記加速度を検出することを特徴とする。この発明では、圧電体が実装基板に直接実装され、その圧電体の板厚直交方向の加速度が検出されるので、振動板やベースユニット等を設ける必要がなく構造が簡素となる。しかも、実装基板上の検出素子の高さが大幅に縮小され、不要な振動等を生じ難いから、構造の簡素化のみならず、小型で高精度の加速度センサが得られる。
【００１２】また、請求項２記載の発明に係る加速度センサは、前記第１の検出電極が前記圧電体の前記一面を覆う電極であり、前記第２の検出電極が前記圧電体の前記他面を覆う電極であることを特徴とする。この発明では、圧電体の板厚直交方向の分極に対して板厚方向に検出電極が対向する配置となっているから、温度変化に伴って圧電体に焦電効果が生じても、電極面に生じる焦電電荷は非常に小さく、しかも、対向電極面を確保して静電容量を十分確保することができるから、高感度の加速度センサが実現できる。
【００１３】請求項３記載の発明に係る加速度センサは、前記圧電体の前記他面側に固定された錘体と、前記錘体の表面に設けられ前記第２の電極に接続された電荷取り出し電極と、を備え、前記加速度に応じた略せん断方向の力が、前記錘体から前記検出素子に加わるようにしたことを特徴とする。この発明では、錘体を利用することで、広範な使用条件において圧電体に加速度に応じた所要の力を加えて十分なせん断歪みを生じさせることができ、高感度の加速度センサを実現できる。
【００１４】請求項４記載の発明に係る加速度センサは、前記圧電体が、圧電セラミックス若しくは圧電性単結晶で構成されたことを特徴とする。この発明では、圧電セラミックスや圧電性単結晶からなる圧電体を用いることでと、蒸着やメッキ等により表面の電極形成が容易にでき、かつ安定した性能が得られる。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１６】図１〜図５は本発明に係る加速度センサの一実施形態を示す図ある。図１（ａ）及び図１（ｂ）において、10は実装基板としての回路基板20に実装されるユニモルフ構造の検出素子であり、この検出素子10は、板状の圧電体11と、圧電体11の表面に平坦な膜状に設けられた上面側検出電極12（第２の電極）及び下面側検出電極13（第１の電極）と、を有している。
【００１７】圧電体11は、予め板厚方向と直交する板厚直交方向（図１（ａ）中の矢印Ｐ方向）に分極処理を施したもので、例えば圧電セラミックス素子で構成されている。この圧電体11は、分極方向の電界では伸縮を生じるが、板厚方向の電界では上下面を逆方向にずらすようなせん断歪みを生じる性質を有し、前記板厚直交方向（図１（ｂ）中の左右方向）に向かう外力によってそれに対応するせん断応力が生じたときには、両面側の検出電極12，13の間に前記せん断応力に応じた電圧を発生するようになっている。なお、圧電体11は、前記圧電セラミックス素子のみならず、これと同様な機能を発揮できる水晶や圧電性単結晶から構成されたものでもよい。
【００１８】上面側検出電極12及び下面側検出電極13は、圧電体11の表面部に蒸着又はメッキ等により形成され、圧電体11の両面に対向配置されている。また、下面側検出電極13は上面側検出電極12に対し逆極性となっており、この下面側検出電極13が回路基板20のプラス側電極21（図２参照）に導通する状態で回路基板20上に検出素子10が直接に載置され、例えば導電性接着剤16により回路基板20に固定されている。
【００１９】また、検出素子10はその上面側に錘体（おもり）14を固定し一体化した素子ユニットとして構成されており、錘体14は、接着剤17により検出素子10に固定された固定面14ａと、固定面14ａと所定の交差角（略直角）をなす側面14ｂとを有している。この錘体14は、圧電体11の板厚直交方向（図１（ｂ）中で左右方向）に向かって加速されるとき、その加速度と錘体14の質量とに応じた略せん断（剪断）方向の力を検出素子10に加え、検出素子10の圧電体11にせん断歪みを生じさせることができる。
【００２０】また、検出素子10には検出素子10の下面側検出電極13に対面する底面板部23が設けられており、この底面板部23は回路基板20のプラス側電極21に接続されている。また、センサ感度を高めるよう、錘体14は底面板部23と同一の材料若しくはこれに近い熱膨張係数の材料からなる。勿論、専用の底面板部23をなくして、検出素子10の電極配置を回路基板20に直付けすることもできる。また、導電接着剤16，17が半田等であってもよいことはいうまでもない。
【００２１】一方、錘体14の側面14ｂには、蒸着又はメッキ等により膜状に形成された電荷取り出し電極15が設けられている。この電荷取り出し電極15は、導電性接着剤17により上面側検出電極12に電気的に接続されるとともに、回路基板20のマイナス側電極22に導電性接着剤又は半田18によって接着固定されている。19は、検出素子10の側端面から露出する下面側検出電極13の端面を覆うよう、検出素子10の側端面と回路基板20との間に塗布され固化した絶縁性の接着剤である。
【００２２】図３及び図４に示すように、前記検出素子10及び回路基板20は、センサ基台31ａ及び封止キャップ31ｂからなるハーメチックシール構造のシールドケース31内に収納され、信号処理基板25とセンサ出力用、グランド用、電源用及び容量チェック用のリードピン32，33，34，35とを有するセンサユニット30として構成されており、検出素子10が回路基板20に実装された状態で錘体14に圧電体11の板面（上面、下面）方向に向かう加速度を受けるように取り付け方向が規定されている。なお、信号処理基板25は、詳細な回路構成を図示しないが、インピーダンス変換回路、出力増幅回路、濾波回路、温度補償回路等を含んで構成されている。
【００２３】検出素子10の実装時には、まず、下面側検出電極13を導電性の接着剤や半田等でプラス側電極21に接続するとともに回路基板20に固定し、次いで、検出素子10の側端面から露出する下面側検出電極13の端面を覆うように、検出素子10の側端面と回路基板20との間に絶縁性の接着剤19を塗布する。次いで、錘体14の固定面14ａを接着剤17により検出素子10の上面側検出電極12に接着固定するとともに、錘体14の側面14ｂの電荷取り出し電極15を上面側検出電極12に導通するよう接続する。次いで、電荷取り出し電極15を回路基板20のマイナス側電極22に導電性接着剤又は半田18によって接着固定する。
【００２４】以上のように構成された加速度センサにおいては、加速度検出時に、錘体14が例えば図５に実線で示す位置から仮想線で示す位置に移動するよう矢印Ａ方向に加速度を受け、その質量と加速度に応じた力を検出素子10に加えることになる。このとき、検出素子10にはせん断歪みが生じるから、ユニモルフ構造の検出素子10の検出電極12，13間に前記加速度に応じた電圧が生じ、その電圧信号が信号処理基板25により信号処理（インピーダンス変換、フィルタリング、増幅等）されて、センサ出力が得られる。
【００２５】本実施形態においては、圧電体11の表面に検出電極12，13を形成するだけの簡素な検出素子10を構成して、圧電体11の板厚直交方向の加速度を検出するので、従来のバイモルフ構造のように検出素子を振動板の両面に貼り付けたりベースユニットを設けたりする必要がなく、構造の簡素化のみならず、小型で高精度の加速度センサが得られる。
【００２６】また、両電極12，13の少なくとも一方を回路基板20側の検出電極に接続するように圧電体11を回路基板20に直付けする実装形態が採用できるから、実装基板上における検出素子の高さの縮小（低背化）を図ることが可能になり、不要な振動等を生じ難くして高感度のセンサを得ることができる。しかも、従来のようにワイヤボンディング等の面倒な接続作業を行う必要が無いばかりでなく、検出素子10を形成する際に圧電体11の複数個分のサイズを有する圧電材に蒸着やメッキにより複数組の電極を形成したり、蒸着膜やメッキ膜の部分的な剥離処理を行ったりして、検出素子10を多数個採りすることが可能な圧電体ユニットを作製し、これから1列又は複数の所定列分ずつの検出素子10を切り出し加工する等して製造工程の大幅な簡易化を図ることができる。したがって、小型で高精度の加速度センサを低コストで提供することができる。
【００２７】また、圧電体11の板厚直交方向の分極に対して、圧電体11の板厚方向に検出電極12，13が対向しているので、温度変化によって圧電体11に焦電効果が生じたとしても、そのとき検出素子10の電極面に生じる不要な焦電電荷は非常に小さく、しかも、対向電極12，13の面積を十分に確保して静電容量を十分確保することができる。したがって、高感度の加速度センサが実現できる。
【００２８】さらに、本実施形態においては、錘体14を利用することで、広範な使用条件において圧電体11に所要の力を加え、せん断歪みを生じさせることができるので、検出方向と直交する方向の高さ寸法を小さくことができるとともに、高感度の加速度センサを実現できる。また、錘体14の側面14ｂを利用して十分な面積の接続容易な電荷取り出し電極15を形成することができ、実装作業の容易化を図ることができる。また、圧電セラミックスや圧電性単結晶からなる圧電体11を用いているので、蒸着やメッキ等により表面の電極12，13を容易に形成することができ、かつ成形加工や分極処理等によって安定した性能が得られる。
【００２９】なお、上述の実施形態においては、検出素子10の検出電極12，13を圧電体11の両面に設けたが、例えば上面側の電極の端部を下面側まで回り込ませる構造とし、実装基板側に対向配置した正負の電極に直付けするような実装形態をとることもできる。また、第２の検出電極が圧電体の他面側で第１の検出電極に接続される。
【００３０】図６は本発明に係る加速度センサの他の実施形態を示す図である。なお、以下に説明する実施形態は、パッケージングの態様が図１〜図５に図示した例とは異なるものの、内部の検出素子周辺の構成は上述の実施形態とほぼ同様であるので、その同様な構成については上述と同一の符号を用いて説明する。
【００３１】図６に示すように、この加速度センサは、圧電体11に錘体14を一体化した検出素子10を回路基板20に実装し、これと信号処理基板25をセラミックパケージ40に収納して、セラミック製のリッド（蓋）41により気密的にシールしたものである。ここで、セラミックパケージ40は、詳細を図示しないが、内部接続用の複数の電極と、上述の４本のリードピン31〜34に対応する4つの外部電極とを有しており、検出素子10を実装した回路基板20と信号処理基板25を外部の回路基板に直接実装できる形態となっている。
【００３２】このようにしても、上述例と同様な効果を得ることができる。
【００３３】図７は、本発明に係る加速度センサの更なる他の実施例を示す図である。
【００３４】同図に示すように、この加速度センサは、圧電体11に錘体14を一体化した検出素子10を、上述の信号処理基板25と同様に機能する信号処理回路を搭載した回路基板50に実装し、その回路基板50に信号線と固定用の支柱部材であるリードピン51，52，53，54を装着したものである。なお、各リードピン52，53，54には基板実装時のピン先端の挿入深さを規定する拡径部52ａ，53ａ，54ａが設けられており、リードピン51にも図示しない同様な拡径部が設けられている。
【００３５】このようにしても、上述例と同様な効果を得ることができ、パッケージやシールが不要な場合により簡素で低コストの加速度センサとすることができる。また、検出電極とは別に圧電体の両面に駆動電極を設けてせん断歪みを生じさせ、自己診断機能を持たせることも考えられる。
【００３６】
【発明の効果】本発明の加速度センサによれば、圧電体を実装基板に直接実装するとともに、加速度検出用の少なくとも一方の検出電極を実装基板側に接続するようにしているので、振動板やベースユニット等を設ける必要がなく構造が簡素となるとともに、実装基板上の検出素子の高さを大幅に縮小し、不要な振動等を生じ難くして、構造の簡素な、小型でかつ高精度の加速度センサを得ることができる。
【００３７】また、圧電体の板厚直交方向の分極に対して板厚方向に検出電極が対向する配置として、温度変化時等に電極面に生じる焦電電荷を非常に小さくしているので、検出精度を低下し難くすることができる。しかも、板状圧電体の両面に逆極性の電極を配置すれば、静電容量を十分確保することができ、高感度の加速度センサを実現することができる。
【００３８】さらに、錘体を利用することで、広範な使用条件において圧電体に加速度に応じた所要の力を加えて十分なせん断歪みを生じさせるようにすれば、高感度の加速度センサを実現できる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００５８２１
【氏名又は名称】松下電器産業株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年７月３０日（１９９９．７．３０） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７２６０４
【弁理士】
【氏名又は名称】有我 軍一郎
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| 【公開番号】 |
特開２００１−４１９７１（Ｐ２００１−４１９７１Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年２月１６日（２００１．２．１６） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−２１７７５５ |
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