JPH036463A - 加速度センサ - 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　Ｈｚ　　、　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、０．１
Ｇ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
．１〜０．０ＩＧ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く、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電子
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
りも線膨張率率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、この裏打材５の周部に線膨張
率が同等以下の支持体３４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の出力を信号処理電子回路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（ａ＋　、　（ｂ）　、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＝ポリアセクール樹脂・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、この裏打材５の周部に支持体３４が固定され
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及びこれに支持体３４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／℃
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鰭、好ましくは、０．０３〜０
．５鶴が用いられる。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は接着剤を用いて圧電体１の一面に接着される
。このようにすることで、振動に関して裏打材５の寄与
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。

支持体３４としては線膨張率が裏打材５に近似、もしく
は小さいガラスエポキシ樹脂、セラミック。

金属などが用いられる。

形状としては、中央部に窪みもしくは、穴のある皿状、
リング状等が適する。

穴径については、圧電体１の内側正電極２の外径をＡ、
外側負電極３の外径をＢ、支持体３４の内径をＣ１外寸
をＤとすると、各々の関係は次式で定義される。

Ａ／２≦Ｃ＜Ｂ≦Ｄ 好ましくは Ａ≦Ｃ≦（Ｂ−Ａ）＊３／４＋Ａ＜Ｂ≦Ｄ支持体３４は
接着剤を用いて前記裏打材５と接着され、振動子６が構
成される。

加振力に対する出力の直線性を得るために、振動子６の
両面は連続した空間が形成される。

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５Ｘ１０−５／’Ｃ以
下で厚さ０．２〜５　ｍｍ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。

回路形成に先立って、圧電体ｌ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ば、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Ｑ、
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。

０ 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、それぞれケーブルおよびコネクタであ
る。

以上の構成によると、圧電体ｌ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ば回路基準電位、Ｒ４はソ
ース抵抗、Ｖｃｃば電圧端、Ｒはゲ′−ト抵抗、Ｑｌは
インピーダンス変換用電界効果１〜ランジスタ、Ｔ１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Ｒ９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。Ａ
１．Ａ２は初段、後段アンプ、Ｒ３、Ｒ４、Ｒｈ　　、
Ｒ７ば１ ２ それぞれ利得調整回路２９を構成する初段、後段アンプ
Ａ＋、Ａｚ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。Ｑｚ　　、　Ｑｓはそれぞれ抵抗Ｒｚ
、Ｒｓ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、、Ｄ２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Ｍｃより出力される電界効果トラン
ジスタＱ２．Ｑ、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
間後Ｍ２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ＤＩ＋Ｄ２に印加すると、電界効果トラ
ンジスタＱ　Ｚ　、　Ｑ　３はダイオードリーク電流に
よりゲート、ソース間電圧Ｖ（、ｓ−〇■となり、オン
する。一定期間１．．１２の後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トランジスタＱ、、
Ｑ２ばそれぞれオフする。ここで電界効果トランジスタ
Ｑ２Ｑ３のオン設定時間ｔｌ＋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Ａ　
Ｉ、　Ａ　２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Ｒ２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ｔ１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もダイオー
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、ｔ１期間尺２＃
０Ωとなり直流阻止用コンデンサＣ８は速やかに所定の
電圧迄充電される。ｔ１期間後第３ ４ １時定数回路Ｔ、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６＃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ば正
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Ｖｏ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、入力応答の七トリン
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は各貫通コンデンサ２５〜２７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５ ６ 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１！１ｌｌｎの円
板状に形成した。

圧電体１の一面に直径１３．５ψ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。

厚す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と接着した。

厚さ１．２Ｎ外径１９．５ψ内径１５．５φのガラスエ
ポキシ樹脂性リング３４を、エポキシ系接着剤を用いて
、前記接着体の裏打材５面と接着し、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０．８１賞、　２３ｍｍ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１０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、この裏打材５の周部に線膨張率が同
等以下の支持体３４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Ｖｏを得ることができる。また、圧電体１よりも
線膨張率の小さい回路基板７により圧電振動子６を保持
したので、センサ感度の温度７ ８ 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１０．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高周波電磁波の影響を除去す
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、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及び支持体３４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概略断面
図、第２図は本実施例の外観を示す斜視図、第４図は本
実施例における信号処理電子回路の二構成例を示す接続
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図はその動作説明図である。 ■・・・・・・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、３４・
・・・・・支持体。 ９ ０

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）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、この裏打材５の周部に線
   膨張率が同等以下の支持体３４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。
2. （２）圧電振動子６は圧電体１の一面に一対の正、負電
   極２，３を設け、その他面に中立電極４を設け、この中
   立電極４に裏打材５を接着し、この裏打材５の周部に支
   持体３４を接着してなる請求項第１項記載の加速度セン
   サ。
3. （３）信号処理電子回路８は、圧電振動子６の出力に、
   インピーダンス変換部２０、フィルタ部２１、増幅部２
   ３をこの順に接続し、フィルタ部２１と増幅部２３間に
   、ミューテイング部２２を接続すると共に、これら各部
   を作動せしめる電源回路３０を設け、増幅部２３の出力
   及び電源回路３０の入力、信号グランドにそれぞれ貫通
   コンデンサ２６，２５，２７を接続せしめてなる請求項
   第１項，第２項のいずれかに記載の加速度センサ。