JPH036462A

JPH036462A - 加速度センサ

Info

Publication number: JPH036462A
Application number: JP14050889A
Authority: JP
Inventors: Tomonobu Tomita; 冨田　知伸; Yoshinao Mukasa; 武笠　由直; Masahiro Sasaki; 佐々木　政弘; Fumio Ota; 文夫太田
Original assignee: Mitsubishi Petrochemical Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Priority date: 1989-06-02
Filing date: 1989-06-02
Publication date: 1991-01-11

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〕本発明は圧電振動子を用いて加速度を検出する加速度セ
ンサに係り、特に、温度変化や電圧変動、電磁ノイズな
どの影響を受けに＜＜、車両搭載用として優れた低周波
用の加速度センサに関する。

〔先行技術〕

加速度は変位の２重機分で得られるので、低周波になる
ほど大きな変位でも実際の加速度は小さくなってくる。

例えば１６０　Ｉ（ｚ　　、　１０μｍの変位で加速度
はＩ　Ｇ　、　０．１６Ｈｚでは１０ｍの変位量でＩＧ
となる。低周波の振動測定を行う場合、実際の変位はせ
いぜい１ｍ以下であり、例えば１．６　Ｈｚでは、０．
１Ｇで、ｌ　ｃｍの変位となる。

従って、０．１〜１０Ｈｚの振動を測定するためには０
．１〜０．０１Ｇの小さな加速度を測定できるものでな
ければならない。

本発明者等は低周波用の加速度センサを実願昭６３−１
０３６０２号として既に提案した。この加速度センサは
、圧電振動子を導電性樹脂、断熱体及び熱伝導体により
順次被覆し、これを絶縁性基台に取付けると共に、導電
性樹脂と導電性の熱伝導体との間に、外部誘導障害防止
用コンデンサを接続してなるもので、このように構成す
ることにより、圧電振動子を導電性樹脂により電磁シー
ルドしているので、電気的ノイズに影響されず、また断
熱体と熱伝導体により外部からの加熱あるいは冷却によ
る温度変化を大幅に緩和できるばかりでな（、絶縁性基
台により圧電振動子を被測定物から電気的に絶縁してい
るので、静電誘導やアース間電位などの誘導障害を受け
にくいと共に、導電性樹脂と導電性の熱伝導体との間に
外部誘導障害防止用コンデ、ンサを接続しているので、
外部高周波ノイズをバイパスさせることができるため、
低周波。

低加速度の計測もより一層高精度に行うことができると
いう作用効果を奏する。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら上記先行例にあっては、外部高周波ノイズ
をバイパスさせるため、導電性樹脂と導電性の熱伝導体
との間に外部誘導障害防止用コンデンサを接続する必要
があり、それだけ構造が煩雑になるという課題があるば
かりでなく、圧電振動子の出力を別設した信号処理回路
にケーブルにより接続することになり、構造が小形、コ
ンパクトにできず、圧電振動子と電子回路間で外部誘導
障害を受けるおそれがあり、また、圧電体がこれよりも
線膨張率の小さい材料によって保持されていないので、
センサ感度の温度依存性を一定にできないという課題も
ある。

〔発明の概要〕

本発明センサは上記の課題を解決するため、図示のよう
に圧電体１の両面に電極を設け、その一面に線膨張率の
小さな裏打材５を接着して圧電振動子６を構成し、この
圧電振動子６を線膨張率の小さな回路基板７の一面に接
着し、この回路基板７の他面に、信号処理電子回路８を
形成せしめ、全体を、内部導電層１０．断熱層９及び外
部導電層１１の３層で被覆してなる構成としたものであ
る。

本発明では電子回路８中に外部誘導障害防止用コンデン
サを組込むことによりそれだけ構造が簡便になり、該コ
ンデンサの設置に苦慮することがないばかりでなく、圧
電振動子６の出力を信号処理回路８に接続するに際して
ケーブルを別設する必要もないので、構造が小形、コン
パクトにでき、圧電振動子６と電子回路８間で外部誘導
障害を受けるおそれがないし、また圧電体１がこれより
線膨張率の小さい材料によって保持されているので、セ
ンサ感度の温度依存性を一定にできることになる。

〔発明の詳細な説明〕

以下図１面に基いて本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明センサの一実施例の構成を示す概略断面
図、第２図は本実施例の外観を示す斜視図、第３図は本
実施例における構成の説明用斜視図である。

第３図（ａｌ　、　ｆｂ）　、第４図中、１は圧電体で
ある。

圧電体１としては体積固有抵抗が２０℃で１０１２〜１
０１６Ωｃｍの範囲にある、厚さ１０〜５００μＭの圧
電樹脂シートである。

例えば、高分子圧電体では、ＰＶＤＦ＝ポリフッカビニ
リデン樹脂やＰ　（ＶＤＣＮ／ＶＣＡ）　−ポリ　（ビ
ニリデンシアナイド／酢酸ビニル）共重合樹脂などであ
り、高分子複合系では、ＰＺＴ＝チタン酸ジルコン酸鉛
、ＰＯＭ−ポリアセタール樹脂、ＮＢＲ−アクリルニト
リル・ブタジェン共重合ゴム、カーボンからなる組成物
の圧電体である。ゴムは加硫することで耐久性を向上で
きる。

ＰＣＴ−カルシウム置換型チタン酸鉛、　ｕ−ＰＯＭ−
ウレタン変性ポリアセタール樹脂からなる組成物の圧電
体でもよい。

圧電体の両面には、蒸着、スパッタ、導電塗料の印刷等
の手段に依って電極が設けられ、その一面に裏打材５が
接着されて圧電振動子６が構成されるが、例えば、圧電
体１の一面に一対の正、負電極２，３を設け、他面に中
立電極４を設け、これに裏打材５を設けた構造の圧電振
動子６（第３図参照）にすると、焦電性を減じるのに効
果がある。この効果は、正、負電極２．３の面積を等し
くすると更に高められる。

また、圧電体１の一面の中心側に正電極２を。

外側に負電極３を配置すると、電気ノイズ低減に効果が
ある。

尚、内側正電極２と外側負電極３の間には、電気的絶縁
帯が設けられることは勿論である。

裏打材５としては線膨張率の小さい（５Ｘ１０−５層℃
以下）ガラスエポキシ樹脂、ポリイミド、ポリエステル
等が用いられる。

線膨張率は圧電体〉裏打材≧基板の順に小さくなるよう
に選択される。

厚さは０．０１〜１．６　ｍｌ、好ましくは、０．０３
〜０．５鰭が用い、られる。特に、圧電体厚さに対して
１／３から１０倍の範囲が選択される。

裏打材５は接着材を用いて圧電体１の一面に接着され振
動子６が構成される。この構成に依れば、振動に関して
裏打材５の関与が大きくなるため、感度の温度勾配が一
定した振動子６を得ることができる。

この圧電振動子６は線膨張率の小さい回路基板７の一面
に接着されており、この回路基板７の他面には信号処理
電子回路８が形成されている。

回路基板７としては、線膨張率が５×１０−５／℃以下
で厚さ０．２〜５ｍｌ程度の、きょう体３１との線膨張
率差による歪に抗せる高い剛性を有するガラスエポキシ
樹脂、セラミック（アルミナ、シリコンウェハーなど）
、金属等が用いられる。

圧電体１上の正、負電極２，３を回路基板７上の電子回
路８に接続するために、接続回路が形成される。接続回
路は、ワイヤーボンデングによるリード線の接続、蒸着
やスパッタ等による薄膜形成、厚膜回路印刷、導電塗装
等の方法で形成される。

回路形成に先だって、圧電体１の端面に露出している中
立電極４と電気的に短絡するのを避けるため、当該部分
は絶縁体１２でコートされる。そして圧電振動子６の正
、負電極２．３は、それぞれ回路基板７の一面に形成さ
れた正、負電極用パターン１５　、１６に、正、負電極
用リードパターン１３゜１４で接続され、（第３図参照
）、更にこれらの正。

負電極用パターン１５　、１６はスルーホール１７　、
１８で回路基板７の他面に形成された信号処理電子回路
８に接続されている。２４は負電極用パターン１６と一
体に形成された回路基準電位電極である。

信号処理電子回路８は、例えば第１図示のように回路基
板７．７ａに分けて形成してもよ＜、１９は当該電子回
路８を構成する部品である。

信号処理電子回路８は例えば第４図示のようにインピー
ダンス変換部２０．フィルタ部２１．ミューティング部
２２、増幅部２３および電源回路３０より構成されてい
る。

インピーダンス変換部２０の電界効果トランジスタＱ１
に１〜１００ＧΩのゲート抵抗Ｒを挿入することで、焦
電性による出力のドリフトが低減され、温度変化に対し
て安定した出力が得られる。

フィルタ部２１の定数は、最低測定周波数によって決定
されるバイパス・フィルタのカットオフ周波数から算出
される。

フィルタ部２１の後段にはミューティング部２２を接続
し、電源投入直後の出力立ち上がりを早くする。

回路基板７の振動子６側には回路基準電位電極２４を設
け、高インピーダンスの圧電体１を電磁ノイズから保護
する。

センサ外との接続線（電源線、信号線など）には貫通コ
ンデンサ２５　、２６　、２７を挿入し、外部高周波ノ
イズが回路部に入らないように保護する。

増幅部２３には温度補償回路２８が組み合わせられ、環
境温度の変化に対して安定な感度が得られると共に利得
調整回路２９も設けられ、これにより出力信号■。の大
きさが調整される。

電源回路３０は耐逆電圧用素子を挿入、異常な逆方向電
圧に対して回路を保護する。

また、瞬低・瞬断対策用回路を挿入し、異常な電圧の低
下や切断に対して回路の動作を保護する。

３２　、３３はそれぞれケーブル及びコネクタである。

以上の構成によると、圧電体１が、自身よりも線膨張率
の小さい材料の回路基板７によって保持されるので、セ
ンサ感度の温度依存性を一定にすることができる。

回路基板７上には、振動子６を固定しない側に部品１９
を実装するなど、ハイブリッド化した電子回路８を形成
することができる。

回路基板７，７ａは更にきょう体と固定される。

固定に際して、シリコン樹脂、ウレタン樹脂などの軟質
接着剤を用いると、両者の線膨張率差による歪を吸収で
きる利点がある。

第５図は本発明における電子回路３０の一例を示す接続
図で、６は圧電振動子、Ｖｃは回路基準電位、Ｒ，はソ
ース抵抗、Ｖｃｃは電圧端、Ｒはゲート抵抗、Ｑｌ　は
インピーダンス変換用電界効果ト０ランジスタ、Ｔ＋は直流電圧阻止用コンデンサＣＩと抵
抗Ｒ２，とよりなる第１時定数回路、Ｔ２は直流電圧阻
止用コンデンサＣ２と抵抗Ｒ５とよりなる第２時定数回
路で、これらの第１．第２時定数回路Ｔ、、Ｔ２はフィ
ルタ部を構成する。Ａ１Ａ２は初段、後段アンプ、Ｒ３
，Ｒ４、Ｒｈ　　、Ｒ７はそれぞれ利得調整回路２９を
構成する初段、後段アンプＡ１．Ａ２のゲイン設定用抵
抗で、温度補償回路２８は図示していない。Ｑ２　　、
Ｑ３はそれぞれ抵抗Ｒ２、Ｒ５に並列に接続した第１．
第２スイツチング用電界効果トランジスタ、Ｄ＋、Ｄｚ
はダイオード、Ｍｃはミューティング回路２２である。

ミューティング回路Ｍｅより出力される電界効果トラン
ジスタＱ２．Ｑ３のオン、オフ用信号Ｍ。

Ｍ２は第６図示のように電源投入直後同時に出力される
が、停止する時期については先にＭ、が停止し、一定期
間ｆ＆　Ｍ　ｚが停止するように形成される。

電源投入直後、基準電位Ｖｃより高電圧に設定されたミ
ューティング信号Ｍ、、Ｍ２がミューティング回路Ｍｃ
よりダイオードＤ、、Ｄ２に印加すると、電界効果トラ
ンジスタＱ２．Ｑ３はダイオードリーク電流によりゲー
ト、ソース間電圧ＶＧＳ−〇■となり、オンする。一定
期間１．．１２のあとミューティング信号Ｍ、、Ｍ２が
基準電位Ｖｃより電界効果トランジスタピンチオフ電圧
以下に低くなると電界効果１〜ランジスタＱ　＋　、　
Ｑ　２はそれぞれオフする。ここで電界効果１ヘランジ
スタＱ２Ｑ３のオン設定時間ｔＩ＋ｔ２は１．＜１２に
設定される。

このような構成において電源を投入すると、インピーダ
ンス変換用電界効果トランジスタＱ１およびアンプＡ１
．Ａ２に電源電圧Ｖｃｃが印加される。同時に、ミュー
ティング回路Ｍｃが作動し第１時定数回路ＴＩの抵抗Ｒ
２に並列に接続されたスイッチング用電界効果トランジ
スタＱ２がダイオードＤ、を介してミューティング信号
Ｍ、により設定時間１．オンし、その後オフせしめられ
る。

また、第２時定数回路Ｔ２の抵抗Ｒ５に並列に接１２続されたスイッチング用電界効果トランジスタＱ３もダ
イオ−”ドＤ２を介してミューティング信号Ｍ２により
設定時間ｔ２オンし、その後オフせしめられる。

本動作により第１時定数回路Ｔ、にて、ｔ５期間Ｒ２＃
０Ωとなり直流阻止用コンデンサＣ１は速やかに所定の
電圧迄充電される。１．期間後第１時定数回路Ｔ１は正
規の時定数にてインピーダンス変換されたセンサ検出信
号出力Ｖｓを初段アンプＡ、へ伝達する。

同様に、第２時定数回路Ｔ２にて、ｔ２期間尺５＃０Ω
となり、直流阻止用コンデンサＣ２は基準電位Ｖｃに対
する初段アンプＡ１の直流オフセット電圧変動に対し速
やかに充電される。ｔ２期間後第２時定数回路Ｔ２は正
規の時定数にて初段アンプＡ１にて増幅されたセンサ検
出信号出力■１を後段アンプＡ２へ伝達する。

上記の動作結果、センサアンプ出力信号Ｖ。は、電源投
入後ｔ２期間、基準電位Ｖｃとなり、その後安定したセ
ンサ検出信号増幅出力信号となり、入力応答のセトリン
グ時間送れを短くすることが可能となる。

例えば、低域カットオフ周波数を０．１　Ｈｚ程度に設
定した場合、本発明センサアンプでは、出力安定に必要
となる時間は、約６秒となる。

圧電振動子６．及び回路基板７，７ａは内部導電層１０
．断熱層９及び外部導電層１１よりなるきょう体３１内
に収納される。３２ば各貫通コンデンサ２５〜２２７に
接続されたケーブル、３３はケーブル３２に接続された
コネクタである。

振動子６および電子回路８を電磁ノイズから保護するた
めに全体は内部導電層１０で囲まれ、導電層１０は電子
回路８の信号グランドと接続される。

内部導電層１０は、カーボンもしくは／およびカーボン
ファイバーを混合した導電樹脂、樹脂メツキ、導電塗装
などで形成される。

また、フェライト混合により、併せて高周波もシールド
することができる。

圧電体１の焦電効果によって出力ゼロドリフトの起こる
のを防止するために、断熱層９で全体が３４囲まれる。断熱層９は、ヒダのついた樹脂成型体や、発
泡樹脂体などで形成される。

また、外部高周波ノイズの影響を除去するために、貫通
コンデンサ２５〜２７の接地端子と接続した、外部導電
層１１が金属などで形成され被測定物に接地される。

本発明を具体的に示すと、圧電体１として、次の組成を
有する高分子複合系を用いた。

ＰＺＴ　　　　８２．３　　重量％ＰＯＭ　　　　１５．８　　重量％ＮＢＲ１，７５重量％カーボン　　　０．１３重量％この圧電体１を、厚さ１００μｍ直径１９１璽の円板状
に形成した。

圧電体１の一面に直径１３，５φの正電極２、内径１４
φ外径１９φの負電極３を他面には全面に中立電極４を
導電塗料の印刷によって設けた。

厚さ２００μｍ直径１９φのガラスエポキシ樹脂製裏打
材５を、エポキシ系接着剤を用いて接着層厚さが１０μ
以下となるように圧電体１の中立電極４に接着し振動子
６を形成した。

振動子６を、ハイブリッド化された電子回路８を搭載し
た厚さ０．８　ｍｍ　、　２３ｍ１角のアルミナ基板に
エポキシ系接着剤を用いて接着した。

ハイブリッド化された電子回路８には、接続回路と、信
号処理回路と、電源回路とを設けた。

前記の基板を、導電性樹脂層ＩＯと、絶縁性を有する断
熱性樹脂層９と、金属層１１の３層からなるきょう体３
１に納め、本発明のセンサを完成させた。

〔効　果〕

上述の説明より理解されるように本発明によれば、圧電
体１の両面に電極を設け、その一面に線膨張率の小さな
裏打材５を接着して圧電振動子６を構成し、この圧電振
動子６を線膨張率の小さな回路基板７の一面に接着し、
この回路基板７の他面に、信号処理電子回路８を形成せ
しめ、全体を、内部導電層１０．断熱層９及び外部導電
層１１の３層で被覆してなるので焦電性による出力のド
リフトを低減でき、温度変化に対して安定した出力Ｖ。

を得ることができる。また、圧電体１よりも線膜５６張車の小さい回路基ｖｉ７により圧電振動子６を保持し
たので、センサ感度の温度依存性を一定にすることがで
きると共に回路基板７を内部導電層１ｄ。

断熱層９及び外部導電層１１の３層に固定するに際し軟
質接着剤を用いることにより回路基板７と３層の線膨張
率差による歪を吸収できる。更に圧電振動子６及び回路
基板７の全体が、電子回路８の信号グランドに接続され
た内部導電層１０により被覆されているので、電磁ノイ
ズから保護することができるばかりでなく、貫通コンデ
ンサ２５〜２７の接地端子に外部導電層１１を接続する
ことにより外部高周波ノイズの影響を除去することがで
きる。

また、電子回路８中に外部誘導障害防止用コンデンサを
組込むことによりそれだけ構造が簡便になり、該コンデ
ンサの設置に苦慮することがなく小形、コンパクトにで
きる等の効果を奏する。

特に振動に関して裏打材５の関与が大きくなるため、感
度の温度勾配が一定した圧電振動子６を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明センサの一実施例の構成を示す図、第４
図は本実施例における信号処理電子回路の一構成例を示
す接続図、第５図は本発明における電子回路の一例を示
す接続図、第６図はその作動説明図である。１・・・・・・圧電体、２，３・・・・・・正、負電極
、４・・・・・・中立電極、５・・・・・・裏打材、６
・・・・・・圧電振動子、７７ａ・・・・・・回路基板
、８・・・・・・信号処理電子回路、９・・・・・・断
熱層、１０　、１１・・・・・・内、外部導電層。７８４６８

Claims

【特許請求の範囲】

圧電体１の両面に電極を設け、その一面に線膨張率の小
さな裏打材５を接着して圧電振動子６を構成し、この圧
電振動子６を線膨張率の小さな回路基板７の一面に接着
し、この回路基板７の他面に、信号処理電子回路８を形
成せしめ、全体を、内部導電層１０、断熱層９及び外部
導電層１１の３層で被覆してなる加速度センサ。