-
Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf einen Beschleunigungssensor zur Verwendung bei der Beschleunigungserfassung,
beispielsweise bei einem Airbag für ein Fahrzeug, und insbesondere
auf einen Beschleunigungssensor mit einer verbesserten Befestigungsstruktur
für eine
Beschleunigungserfassungsvorrichtung.
-
Bei einem herkömmlichen Fahrzeugairbag wird
ein Beschleunigungssensor verwendet, um den Airbag im Falle einer
Kollision zu aktivieren. In anderen Worten heißt das, daß die Beschleunigung, die bei
der Kollision wirkt, durch den Beschleunigungssensor erfaßt wird,
und daß der
Airbag als Reaktion auf Ausgangssignale von dem Beschleunigungssensor
aktiviert wird.
-
Als Beschleunigungssensor wird weitverbreitet
ein piezoelektrischer Sensor verwendet, der einen exzellenten mechanischen
Stoßwiderstand
aufweist und der in der Lage ist, die Beschleunigung ohne weiteres
als elektrische Signale auszugeben. 6 ist eine
Draufsicht eines Beispiels des herkömmlichen Beschleunigungssenors,
während 7 eine Schnittansicht entlang
der Linie B-B von 6 ist.
-
Ein Beschleunigungssensor 1 ist
aus einem Gehäuse,
das aus einem Gehäusesubstrat 2 und
einer Abdeckung 3 mit einer Öffnung in der Unterseite. derselben
besteht, gebildet, d.h., die Abdeckung 3 ist auf das Gehäusesubstrat 2 aufgebracht
und an demselben befestigt. Eine Beschleunigungserfassungsvorrichtung 4 ist
in einem Raum plaziert, der durch die Abdeckung 3 eingeschlossen
ist. Die Beschleunigungserfassungsvorrichtung 4 weist ein
Trägerbauglied 4a,
das auf der oberen Oberfläche
des Gehäusesubstrats 2 befestigt
ist, und einen piezoelektrischen Beschleunigungserfassungsabschnitt 4b auf, der
auf eine einseitig eingespannte Art und Weise an einem Ende des
Trägerbauglieds 4a befestigt
ist.
-
Auf der Seite der Beschleunigungserfassungsvorrichtung 4 ist
eine Signalschaltung auf einem Schaltungssubstrat 5 angeordnet,
um Ausgangssignale, die von der Beschleunigungserfassungsvorrichtung 4 entnommen
werden, elektrisch zu verarbeiten.
-
Der Beschleunigungssensor 1 ist
ferner mit Leitungsanschlüssen 6a bis 6e versehen,
die aus dem Gehäusesubstrat 2 nach
unten geführt
sind, und durch das Einbringen der Leitungsanschlüsse 6a bis 6e in
ein Befestigungssubstrat in einem Schaltungsabschnitt des Airbags
für die
Verwendung befestigt.
-
Bei dem Beschleunigungssenor 1,
der in den 6 und 7 gezeigt ist, ist das Schaltungssubstrat 5 jedoch
auf der Seite der Beschleunigungserfassungsvorrichtung 4 angeordnet,
wobei die Beschleunigungserfassungsvorrichtung 4 und das
Schaltungssubstrat 5 in der horizontalen Richtung auf dem Gehäusesubstrat 2 verteilt
sind. Folglich ist ein großer
Raumbedarf erforderlich, um den Beschleunigungssensor 1 auf
dem Befestigungssubstrat zu befestigen.
-
Bei Produkten, in denen der Beschleunigungssensor
verwendet ist, beispielsweise einem Fahrzeugairbag, besteht ein
großer
Bedarf danach, den Befestigungsraum des Beschleunigungssensors zu
reduzieren.
-
Aus der
DE 44 06 499 C2 ist eine
Sensoreinheit bekannt, bei der eine Sensorleiterplatte, auf deren
Oberfläche
ein Beschleunigungssensor angebracht ist, derart auf einer Schaltungsplatine
angeordnet ist, daß die
Oberfläche
der Sensorleiterplatte senkrecht zur Oberfläche der Schaltungsplatine ist. Die
Sensorleiterplatte ist unter Verwendung eines Dämpfungshalters auf der Schaltungsplatine
befestigt, wobei der Beschleunigungssensor derart auf der Sensorleiterplatte
an gebracht ist, daß die
Beschleunigungserfassungsrichtung senkrecht zur Oberfläche der
Sensorleiterplatte ist.
-
Die
DE 93 09 918 U1 offenbart einen Halter für Beschleunigungssensoren,
der zumindest zwei zueinander senkrechte Befestigungsplatten aufweist. Der
Halter ist derart auf einem Substrat montierbar, daß die Oberflächen der
Befestigungsplatten senkrecht zur Oberfläche des Substrats sind. Auf
jeder Befestigungsplatte ist ein Beschleunigungssensor angeordnet,
wobei die Beschleunigungserfassungsrichtung für die jeweiligen Sensoren senkrecht
zur Oberfläche
der Befestigungsplatte, auf der der jeweilige Beschleunigungssensor
befestigt ist, ist.
-
Aus der
US 55 15 725 sind Beschleunigungssensoren
bekannt, die so auf einem Substrat befestigt werden können, daß die Beschleunigungserfassungsrichtung
senkrecht zur Oberfläche
des Substrats ist.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
besteht darin, einen Beschleunigungssensor mit einem verringerten
Befestigungsraumbedarf zu schaffen, der in der Lage ist, eine Beschleunigung
mit einer hohen Präzision
zu erfassen.
-
Diese Aufgabe wird durch einen Beschleunigungssensor
gemäß Anspruch
1 gelöst.
-
Nach dem Durchführen von Untersuchungen, um
den Raum zu reduzieren, in dem ein Beschleunigungssensor befestigt
ist, gelangte der Erfinder zu dem Schluß, daß der Raum reduziert werden kann,
indem ein Schaltungssubstrat, auf dem eine Beschleunigungserfassungsvorrichtung
befestigt ist, senkrecht an einem Befestigungssubstrat befestigt wird,
wie in 8 gezeigt ist.
Bei einem Beschleunigungssensor 11, der in 8 gezeigt ist, ist ein Schaltungssubstrat 13 auf
einem Befestigungssubstrat 12 angeordnet, um sich in die
vertikale Richtung zu erstrecken. Eine Beschleunigungserfassungsvorrichtung 14 ist
auf dem Schaltungssubstrat 13 befestigt, wobei ferner Kondensatoren 15a und 15b,
ein Transistor 15c, eine Widerstand 15d und dergleichen auf
demselben befestigt sind, um eine Signalverarbeitungsschaltung zum
Verarbeiten von Signalen, die von der Beschleunigungserfassungsvorrichtung 14 erhalten
werden, zu bilden. Geeignete elektronische Bauteile sind auf der
anderen, nicht dargestellten Hauptoberfläche des Schaltungssubstrats 13 befestigt,
wobei verschiedene Arten von elektronischen Bauteilen, die auf den
beiden Hauptoberflächen
gebildet sind, mittels einer leitfähigen Struktur 16 elektrisch
verbunden sind, wodurch die Signalverarbeitungsschaltung gebildet
ist. Anschlußleitungen 17a bis 17f sind
in Durchgangslöcher,
die durch das Befestigungssubstrat 12 gebildet sind, eingebracht
und mittels eines Lotmittels 18 befestigt.
-
Bei dem Beschleunigungssensor 11 ist
das Schaltungssubstrat 13 mit der darauf befestigten Beschleunigungserfassungsvorrichtung 14 auf
dem Befestigungssubstrat 12 angebracht, um sich in die vertikale
Richtung zu erstrecken, was den Befestigungsraum für den Beschleunigungssensor 11 reduziert.
-
Die Beschleunigungserfassungsrichtung
der Beschleunigungserfassungsvorrichtung 14 ist senkrecht
zu der Hauptoberfläche
des Schaltungssubstrats 13, d.h. zu der Ebene von 8.
-
Andererseits ist das Schaltungssubstrat 13 wie
eine beinahe flache Platte geformt und durch die Leitungsanschlüsse 17a bis 17f auf
dem Befestigungssubstrat 12 befestigt. Wenn die Beschleunigung
in der Dickenrichtung des Schaltungssubstrats 13 wirkt,
schwenkt der obere Teil des Schaltungssubstrats 13 in der
Dickenrichtung desselben (was hierin nachfolgend als ein "Gieren" bezeichnet wird)
um die Kontaktabschnitte zwischen den Anschlußleitungen 17a bis 17d und
dem Schaltungssubstrat 12, was es schwierig macht, die
wirkende Beschleunigung exakt zu erfassen.
-
Als ein Ergebnis verschiedener Untersuchungen
des obigen Problems wurde von dem Erfinder herausgefunden, daß der Befestigungsraum
für einen
Beschleunigungssensor reduziert werden kann, indem ein Schaltungssubstrat
derart befestigt wird, daß die
Oberfläche
desselben senkrecht zu einem Befestigungssubstrat ist, und daß die wirkende Beschleunigung
exakt erfaßt
wird, indem die Beschleunigungserfassungsrichtung einer Beschleunigungserfassungsvorrichtung
parallel zu sowohl der Schaltungssubstratoberfläche als auch der Befestigungssubstratoberfläche eingestellt
wird, wodurch die vorliegende Erfindung entstand.
-
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden
Erfindung umfaßt
ein Beschleunigungssensor eine Beschleunigungserfassungsvorrichtung,
ein Schaltungssubstrat, auf dem die Beschleunigungserfassungsvorrichtung
befestigt ist, und eine Signalverarbeitungsschaltung, die elektrisch
mit der Beschleunigungserfassungsvorrichtung verbunden ist, um ein Ausgangssignal
der Beschleunigungserfassungsvorrichtung einer Signalverarbeitung
zu unterwerfen, und ferner ein Befestigungssubstrat, auf dem das Schaltungssubstrat
befestigt ist, wobei das Schaltungssubstrat derart befestigt ist,
daß die
Oberfläche desselben
senkrecht zu der Oberfläche
des Befestigungssubstrats ist, und daß die Beschleungigungserfassungsrichtung
der Beschleunigungserfassungsvorrichtung sowohl zu der Schaltungssubstratoberfläche als
auch der Befestigungssubstratoberfläche parallel ist.
-
Da bei dem Beschleunigungssensor
der vorliegenden Erfindung die Beschleunigungserfassungsrichtung
der Beschleunigungserfassungsvorrichtung folglich parallel zu sowohl
der Schaltungssubstratoberfläche
als auch der Befestigungssubstratoberfläche ist, ist verhindert, daß die Meßgenauigkeit
durch das vorher genannte Gieren des Schaltungssubstrats auf eine
wirkende Beschleunigung hin gesenkt wird, wie durch die folgende
Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung
offensichtlich wird.
-
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen
näher erläutert. Es
zeigen:
-
1 eine
Draufsicht eines Beschleunigungssensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung; `
-
2 eine
Schnittansicht des Beschleunigungssensors, der in 1 gezeigt ist;
-
3A und 3B eine schematische perspektivische
Ansicht bzw. eine Seitenansicht zur Erläuterung des Grunds, warum bei
dem Beschleunigungssensor des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung
die Erfassungsgenauigkeit schwerlich gesenkt wird, selbst wenn ein
Gieren stattfindet;
-
4 ein
Blockdiagramm einer Signalverarbeitungsschaltung ' in dem Beschleunigungssensor des
Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung;
-
5 eine
perspektivische Ansicht einer Beschleunigungserfassungsvorrichtung,
die bei dem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zu verwenden ist;
-
6 eine
Draufsicht eines herkömmlichen Beschleunigungssensors;
-
7 eine
Schnittansicht entlang der Linie B-B, die in 6 gezeigt ist, zur Erläuterung
des herkömmlichen
Beschleunigungssensors; und
-
8 eine
Vorderansicht eines bisher unbekannten Beschleunigungssensors, der
durch den Erfinder entworfen wurde.
-
Die 1 und 2 sind eine Vorder- und eine Seitenschnitt-Ansicht eines Beschleunigungssensors
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
-
Bei einem Beschleunigungssensor 21 ist
ein Schaltungssubstrat 23 auf einem Befestigungssubstrat 22 befestigt,
das aus einem isolierenden Material besteht, beispielsweise einem
synthetischen Harz oder einer isolierenden Keramik, wie z.B. Aluminiumoxid,
so daß die
Oberfläche
desselben senkrecht zu der oberen Oberfläche des Befestigungssubstrats 22 ist.
-
Das Schaltungssubstrat 23 besteht
ebenfalls aus einem geeigneten isolierenden Material, beispielsweise
einer isolierenden Keramik wie Aluminiumoxid oder einem sythetischen
Harz, wobei eine Beschleunigungserfassungsvorrichtung 24 auf
einer Hauptoberfläche
desselben befestigt ist.
-
Ferner sind Kondensatoren 25a und 25b,
ein Transistor 25c, ein Widerstand 25d und dergleichen auf
dem Schaltungssubstrat 24 befestigt. Diese verschiedenen
elektronischen Bauteile sind durch eine leitfähige Struktur 26,
die auf dem Schaltungssubstrat 23 gebildet ist, elektrisch
miteinander verbunden, um eine Signalverarbeitungsschaltung zum
Verarbeiten von Ausgangssignalen der Beschleunigungserfassungsvorrichtung 24 zu
bilden. Durchgangslochelektroden 26a und 26b sind
elektrisch mit einer leitfähigen
Struktur auf der anderen Seite des Schaltungssubstrats 23,
die nicht gezeigt ist, verbunden.
-
4 ist
ein Blockdiagramm der Verarbeitungsschaltung, die durch die Kondensatoren 25a und 25b,
den Transistor 25c, den Widerstand 25d und dergleichen
gebildet ist. Es sei bemerkt, daß die Schaltung, die in 4 gezeigt ist, von dem gut
bekannten Typ ist, wobei die Schaltung zum Verarbeiten der Ausgangssignale
der Beschleunigungserfassungsvorrichtung 24 in dem Beschleunigungssensor der
vorliegenden Erfindung nicht auf diese Schaltung begrenzt ist. Das
Schaltungssubstrat 23 ist durch Leitungsanschlüsse 27a bis 27f auf
dem Befestigungssubstrat befestigt. In anderen Worten heißt das,
daß die
Leitungsanschlüsse 27a bis 27f jeweils
an dem oberen Ende derselben gegabelt sind, um das Schaltungssubtrat 23 einzuklemmen,
wobei die gegabelten Abschnitte derselben jeweils durch Lotmittel (nicht
gezeigt) oder dergleichen mit geeigneten Positionen auf der leitfähigen Struktur 26 verbunden
sind.
-
Dieses Ausführungsbeispiel ist dadurch
gekennzeichnet, daß die
Beschleunigungserfassungsrichtung G der Beschleunigungserfassungsvorrichtung 24 parallel
zu sowohl der Hauptoberfläche
des Befestigungssubstrats 22 als auch der Hauptoberfläche des
Schaltungssubstrats 23 ist, wodurch die Beschleunigungserfassungsgenauigkeit
verbessert ist. Diese Charakteristik wird nachfolgend bezugnehmend
auf 3 beschrieben.
-
Die Koordinaten bei dem Beschleunigungssensor 21 sind
wie in 3A gezeigt definiert,
d.h. die Richtung parallel zu der Hauptoberfläche des Schaltungssubstrats 23 und
des Befestigungssubstrats 22 ist durch die X-Achse dargestellt,
die Richtung senkrecht zu dem Schaltungssubstrat 23 ist
durch die Y-Achse dargestellt, und die Richtung senkrecht zu dem
Befestigungssubstrat 22 ist durch die Z-Achse dargestellt.
Daher ist die Erfassungsrichtung G der Beschleunigungserfassungsvorrichtung 24 die
Richtung der X-Achse.
-
Da das Schaltungssubstrat 23 wie
oben beschrieben oben in dem Beschleunigungssensor 21 auf
dem Befestigungssubstrat 22 befestigt ist, ist das Schaltungssubstrat 23 anfällig für ein Gieren
in der Y-Richtung, wenn eine äußere Kraft
ausgeübt
wird, während
dasselbe nicht anfällig
für ein
Gieren in die X-Richtung ist.
-
Wenn das Schaltungssubstrat 23 in
die Y-Achsenrichtung giert, werden in der Mitte P desselben Komponenten
Dx, Dy und Dz durch das Gieren erzeugt, wie in 3B gezeigt ist. Wenn der mittlere Winkel
zwischen der Anfangsposition des Schaltungssubstrats 23 und
der Position, in die das Schaltungssubstrat 23 maximal
giert (der mittlere Winkel mit dem Mittelpunkt 0) als θ angenommen
wird, und die Höhe
von dem Substrat 22 zu der Mitte P als h angenommen wird,
wie in 3B gezeigt ist,
können die
oben genannten Komponenten Dx, Dy und Dz wie folgt dargestellt werden:
Dx
= 0
Dy = h × sinθ
Dz
= h × (1 – cosθ)
-
Folglich existieren bei dem Beschleunigungssensor 21 des
Ausführungsbeispiels
zum Durchführen
einer Erfassung in der X-Achsenrichtung nur die Y-Achsen- und Z-Achsen-Komponenten Dy
und Dz, während
die Komponente Dx in der X-Achsenrichtung nicht entsteht, selbst
wenn ein Gieren stattfindet. Da keine Rauschkomponente in der X-Achsenrichtung
existiert, kann die Beschleunigung, die in der X-Achsenrichtung
wirkt, mit einer exakten Genauigkeit selbst bei einem Gieren erfaßt werden.
-
Wenn die Koordinaten bei dem vorhergenannten
Beschleunigungssensor 11, der in 8 gezeigt ist, auf die gleiche obige
Art und Weise definiert werden, entsteht selbstverständlich,
wenn ein Gieren in die Y-Achsenrichtung stattfindet, die Rauschkomponente
Dy, die durch h × sinθ gegeben
ist, und überlagert
sich der Empfindlichkeit, die in die Y-Achsenrichtung wirkt, wodurch die Erfassungsgenauigkeit verringert
ist.
-
Da die Erfassungsrichtung der Beschleunigungserfassungsvorrichtung 24 bei
dem Beschleunigungssensor 21 dieses Ausführungsbeispiels
die X-Achsenrichtung ist, kann, wie oben erläutert wurde, die wirkende Beschleunigung
mit einer hohen Genauigkeit erfaßt werden, selbst wenn der
Befestigungsraum dadurch, daß das
Schaltungssubstrat 23 senkrecht zu dem Befestigungssubstrat 22 befestigt ist,
reduziert ist.
-
Die spezifische Struktur der Beschleunigunserfassungsvorrichtung 24 kann
die gleiche sein wie die einer gut bekannten, geeigneten Beschleunigungserfassungsvorrichtung,
solange die Beschleunigungserfassungsrichtung parallel zu der Hauptoberfläche des
Schaltungssubstrats 23 eingestellt ist, wenn die Beschleunigungserfassungsvorrichtung 24 auf
dem Schaltungsubstrat 23 befestigt ist.
-
5 zeigt
eine typische Struktur der Beschleunigungserfassungsvorrichtung 24.
Bei der Beschleunigungserfassungsvorrichtung 24, die in 5 gezeigt ist, sind eine
erste und eine zweite piezoelektrische Keramikplatte 31 und 32,
die in die Richtung, die durch die gestrichelten Pfeile gezeigt ist,
polarisiert sind, über
eine Zwischenelektrode 33a laminiert. Elektroden 33b und 33c sind
auf den äußeren Oberflächen der
ersten und der zweiten piezoelektrischen Keramikplatte 31 bzw. 32 gebildet.
-
Die erste und die zweite piezoelektrische Kermamikplatte 31 und 32 werden
durch Trägerbauglieder 34 und 35,
die jeweils Ausschnitte 34a und 35a aufweisen,
gehalten. Die Trägerbauglieder 34 und 35,
die solche Ausschnitte 34a und 35a aufweisen,
unterstützen
die erste und die zweite piezoelektrische Keramikplatte 34 und 35,
die laminiert sind, in der Nähe
beider Enden derselben. Überdies
sind ein Gehäusesubstrat 36,
das eine Ausnehmung 36a in demselben aufweist, und ein
Gehäusesubstrat 37 (das
schematisch durch eine zweipunktierte Linie gezeigt ist) jeweils
auf und unter die erste und die zweite piezoelektrische Keramikplatte 31 und 32 und
die Trägerbauglieder 34 und 35 laminiert.
-
Bei der obigen Beschleunigungserfassungsvorrichtung 24 kann
das Gehäusesubstrat 37 beispielsweise
auf dem Schaltungssubstrat 23 befestigt sein, wie in 1 gezeigt ist, wobei dasselbe
in die Richtung zeigt, die in 5 gezeigt
ist. Die Beschleunigungserfassungsrichtung entspricht in diesem
Fall der Richtung der Dicke der ersten und der zweiten piezoelektrischen
Keramikplatte 31 und 32, d.h. der Richtung, die
durch den Pfeil X in 5 gezeigt
ist.
-
Obwohl der Erfassungsabschnitt zum
Erfassen der wirkenden Beschleunigung an beiden Enden in der Beschleunigungserfassungsvorrichtung 24,
die in 5 gezeigt ist,
unterstützt
ist, kann derselbe auf die gleiche einseitig eingespannte Art und
Weise unterstützt
sein, wie bei der Beschleunigungserfassungsvorrichtung 4,
die in 7 gezeigt ist.
-
Ferner können andere piezoelektrische
Materialien als eine piezoelektrische Keramik, beispielsweise Flüssigkristall,
bei der Beschleunigungserfassungsvorrichtung 24 verwendet
sein.
-
Wie oben beschrieben wurde, ist bei
dem Beschleunigungssensor gemäß der vorliegenden
Erfindung ein Schaltungssubstrat, auf dem eine Beschleunigungserfassungsvorrichtung
befestigt ist, senkrecht zu einem Befestigungssubstrat auf demselben
befestigt, wobei die Erfassungsrichtung der Beschleunigungserfassungsvorrichtung
parallel zu sowohl dem Befestigungssubstrat als auch dem Schaltungssubstrat
ist. Da das Schaltungssubstrat in der Richtung senkrecht zu dem
Befestigungssubstrat befestigt ist, kann der Raum für den Beschleunigungssensor
wirksam reduziert sein. Obwohl das Schaltungssubstrat auf Grund
seiner Befestigungsstruktur anfällig
für ein
Gieren in der Dickenrichtung desselben ist, ist überdies verhindert, daß die Erfassungsgenauigkeit
durch das Gieren reduziert ist, da die Beschleunigungserfassungsrichtung
parallel zu den Hauptoberflächen
des Schaltungssubstrats und des Befestigungssubstrats ist.
-
Folglich liefert der Beschleunigungssensor der
vorliegenden Erfindung eine Verkleinerung des Beschleunigungserfassungsabschnitts
ohne eine Verringerung der Erfassungsgenauigkeit.