JP3311633B2 - センサユニット - Google Patents

センサユニット

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】 本発明は、圧電体により外
部から作用する物理量の方向及び大きさを三次元的に検
知するセンサユニットに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】 自動車産業や機械産業では、力、加速
度、磁気などの物理量を正確に検出できるセンサの需要
が高まっている。特に、二次元あるいは三次元の各成分
ごとにこれらの物理量を検出し得る小型のセンサが望ま
れている。例えば、作用体を有する可撓板上に複数個の
圧電体を載置したセンサが公開されている（特開平５−
２６７４４号公報）。
【０００３】 このセンサは、外部から作用体に作用す
る物理量に対応して可撓板が撓むように構成されてお
り、当該可撓板の撓みに応じて圧電体に発生する電荷に
より、前記物理量の方向及び大きさを単一のセンサによ
り三次元的に検出することができるものである（以下、
このセンサを「三軸センサ」という。）。
【０００４】 前記三軸センサについて、作用体を重錘
とした加速度センサを例として説明すると、図２に示す
ように、センサに対し外部から加速度ａが作用した場
合、重錘１には加速度ａと相反する方向に慣性力ｆが作
用するため、重錘１−支台２間に横架された可撓板３に
慣性力ｆに伴う撓み４が生ずる。当該撓み４の方向及び
大きさに応じた電荷が可撓板３上に載置された圧電体５
に発生するため、当該電荷を検知することにより外部か
ら作用する加速度を三次元的に検知することが可能とな
るのである。
【０００５】 更に詳細に説明すると、例えば、図３
（ａ）、３（ｂ）に示すセンサにおいて、円筒状の重錘
１０の可撓板１２が横架されている底面の中心を原点Ｏ
として規定し、当該原点Ｏを含み可撓板１２に平行な面
をＸ−Ｙ平面として当該Ｘ−Ｙ平面上に相直交するよう
にＸ軸、Ｙ軸を規定し、前記原点Ｏを含み前記Ｘ−Ｙ平
面に直交するＺ軸を規定する。このとき、圧電体２１
の、上部電極と下部電極の１組の電極に挾持された部分
を「１圧電素子」とすれば、例えば、当該センサの可撓
板１２上にＸ軸、Ｙ軸に対応する圧電体及び電極を各々
４素子づつ、Ｚ軸に対応する圧電体及び電極を８素子配
置することができる。
【０００６】 この場合において、外部から作用する加
速度ａにより重錘１に作用する慣性力ｆを、図４（ａ）
に示すようなＸ軸方向の慣性力ｆXについては「圧電素
子」Ｅ1〜Ｅ4に、Ｙ軸方向の慣性力ｆYについては図示
されないＥ5〜Ｅ8に、図４（ｂ）に示すようなＺ軸方向
の慣性力ｆZについては「圧電素子」Ｅ9〜Ｅ12と図示さ
れないＥ13〜Ｅ16に発生した電荷の量により各々の大き
さを認識する。また、電荷の極性パターン（例えば、図
４（ａ）の圧電体上面について言えば図左側から［＋−
＋−］、図４（ｂ）の圧電体上面についても同様に図左
側から［＋−−＋］）により各々の方向を認識する。
【０００７】 こうして検出したｆX、ｆY、ｆZの合力
として慣性力ｆ、ひいては外部から作用する加速度ａの
方向及び大きさを、単一の小型センサにより三次元的に
検出することが可能となるのである。従って、前記三軸
センサにおいて慣性力ｆを正確に検出するためには、
Ｘ、Ｙ、Ｚ各軸方向の成分ｆX 、ｆY 、ｆZ を各々正確
に検出することが必要である。
【０００８】 しかしながら、前記三軸センサは単一の
重錘に横架された可撓板によりＸ、Ｙ、Ｚ各軸方向の成
分を検出するため、一の成分の検出に他の成分が影響を
及ぼす場合が生じ得る。これは、一の可撓板を共用する
ことによって、可撓板が有するバネ定数により既に制限
されているセンサの検出限界が更に低下し、センサの検
出範囲の狭小化を招くことに起因する。上記のような事
態は、可撓板を硬く構成する、或いは可撓板のバネ定数
を大きくすることにより、ある程度回避可能だが、この
場合にはセンサ感度が低下する等の問題点がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】 本発明は上記の事情
に鑑みてなされたものであって、その目的とするところ
は、センサの検出限界を維持しつつ、更にその検出精度
を向上することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】 すなわち、本発明によ
れば、作用体と、当該作用体を中心として周設された、
中空部を有する支台と、少なくとも１組の電極に接する
圧電体を有し、かつ、前記支台の中空部の中心に前記作
用体を釣支するように前記支台に横架された可撓板によ
り構成され、外部から作用する物理量を、当該物理量に
対応して生ずる前記作用体の挙動に基づく前記可撓板の
撓みに変換し、当該可撓板の撓みに応じて前記圧電体か
ら発生する電荷により、前記物理量の大きさを検知する
センサにおいて、当該センサを一平面上に少なくとも３
基配設したセンサユニットを構成し、前記可撓板の前記
作用体が釣支されている中心点を原点Ｏとし、当該原点
Ｏを含み可撓板に平行な平面をＸ−Ｙ平面としたＸ−Ｙ
−Ｚの３次元座標系を規定した場合において、前記３基
のセンサを当該３次元座標系のＸ、Ｙ、Ｚ各軸に割り当
て、各作用体の運動方向を拘束することにより、外部か
ら作用する物理量の、各センサの検出成分に対する感度
に異方性をもたせて、外部から作用する物理量をＸ、
Ｙ、Ｚ各軸方向の成分ごとに独立に検出することにより
前記物理量の方向及び大きさを三次元的に検知し、か
つ、Ｘ、Ｙ各軸に割り当てられた各センサにおいて、当
該各センサの可撓板の、各センサに割り当てられたＸ、
Ｙいずれかの軸を挟んで対向する位置に、曲げ剛性が他
の部分より高い部位を形成することにより、各作用体の
運動方向を拘束したことを特徴とするセンサユニットが
提供される。
【００１１】 本発明のセンサユニットは、作用体を重
錘として、外部から作用する加速度を検知するセンサユ
ニットとして好ましく用いられる。
【００１２】 また、本発明によれば、作用体と、当該
作用体を中心として周設された、中空部を有する支台
と、少なくとも１組の電極に接する圧電体を有し、か
つ、前記支台の中空部の中心に前記作用体を釣支するよ
うに前記支台に横架された可撓板により構成され、外部
から作用する物理量を、当該物理量に対応して生ずる前
記作用体の挙動に基づく前記可撓板の撓みに変換し、当
該可撓板の撓みに応じて前記圧電体から発生する電荷に
より、前記物理量の大きさを検知するセンサにおいて、
当該センサを一平面上に少なくとも３基配設したセンサ
ユニットを構成し、前記可撓板の前記作用体が釣支され
ている中心点を原点Ｏとし、当該原点Ｏを含み可撓板に
平行な平面をＸ−Ｙ平面としたＸ−Ｙ−Ｚの３次元座標
系を規定した場合において、前記３基のセンサを当該３
次元座標系のＸ、Ｙ、Ｚ各軸に割り当て、各作用体の運
動方向を拘束することにより、外部から作用する物理量
の、各センサの検出成分に対する感度に異方性をもたせ
て、外部から作用する物理量をＸ、Ｙ、Ｚ各軸方向の成
分ごとに独立に検出することにより前記物理量の方向及
び大きさを三次元的に検知し、かつ、Ｘ、Ｙ各軸に割り
当てられた各センサにおいて、各センサの可撓板の、各
センサに割り当てられたＸ、Ｙいずれかの軸を挟んで対
向する位置に、他の部分より厚い部位を形成することに
より、各作用体の運動方向を拘束したことを特徴とする
センサユニットが提供される。 この場合、積層による一
体成形により、又はスクリーン印刷、補強部材の貼着、
若しくは転写により、可撓板の一部に他の部分より厚い
部位を形成することが更に好ましい。
【００１３】 更に本発明によれば、作用体と、当該作
用体を中心として周設された、中空部を有する支台と、
少なくとも１組の電極に接する圧電体を有し、かつ、前
記支台の中空部の中心に前記作用体を釣支するように前
記支台に横架された可撓板により構成され、外部から作
用する物理量を、当該物理量に対応して生ずる前記作用
体の挙動に基づく前記可撓板の撓みに変換し、当該可撓
板の撓みに応じて前記圧電体から発生する電荷により、
前記物理量の大きさを検知するセンサにおいて、当該セ
ンサを一平面上に少なくとも３基配設したセンサユニッ
トを構成し、前記可撓板の前記作用体が釣支されている
中心点を原点Ｏとし、当該原点Ｏを含み可撓板に平行な
平面をＸ−Ｙ平面としたＸ−Ｙ−Ｚの３次元座標系を規
定した場合において、前記３基のセンサを当該３次元座
標系のＸ、Ｙ、Ｚ各軸に割り当て、各作用体の運動方向
を拘束することにより、外部から作用する物理量の、各
センサの検出成分に対する感度に異方性をもたせて、外
部から作用する物理量をＸ、Ｙ、Ｚ各軸方向の成分ごと
に独立に検出することにより前記物理量の方向及び大き
さを三次元的に検知し、かつ、Ｘ、Ｙ各軸に割り当てら
れた各センサにおいて、各センサの可撓板の、各センサ
に割り当てられたＸ、Ｙいずれかの軸を挟んで対向する
位置に、他の部分より硬い部位を形成することにより、
外部から作用する物理量の、各作用体の運動方向を拘束
したことを特徴とするセンサユニットが提供される。 こ
の場合、硬化剤の塗布、若しくは散布により可撓板、若
しくは可撓板の上面全体に形成された圧電部材の一部に
他の部分より硬い部位を形成することが更に好ましい。
更にまた、Ｚ軸に割り当てられたセンサにおいて、当該
センサの可撓板に釣支される作用体の重心を前記可撓板
面内に位置させることにより、当該作用体の運動方向を
拘束することが好ましく、作用体をＸ−Ｙ平面を挟んで
同一の形状となるように形成することが更に好ましい。
【００１４】 さらに、本発明によれば、作用体と、当
該作用体を中心として周設された、中空部を有する支台
と、少なくとも１組の電極に接する圧電体を有し、か
つ、前記支台の中空部の中心に前記作用体を釣支するよ
うに前記支台に横架された可撓板により構成され、外部
から作用する物理量を、当該物理量に対応して生ずる前
記作用体の挙動に基づく前記可撓板の撓みに変換し、当
該可撓板の撓みに応じて前記圧電体から発生する電荷に
より、前記物理量の大きさを検知するセンサにおいて、
当該センサを一平面上に２基配設したセンサユニットを
構成し、前記可撓板の前記作用体が釣支されている中心
点を原点Ｏとし、当該原点Ｏを含み可撓板に平行な平面
をＸ−Ｙ平面とした２次元座標系を規定した場合におい
て、前記２基のセンサを当該２次元座標系のＸ、Ｙ各軸
に割り当て、各作用体の運動方向を拘束することによ
り、外部から作用する物理量の、各センサの検出成分に
対する感度に異方性をもたせて、外部から作用する物理
量をＸ、Ｙ各軸方向の成分ごとに独立に検出することに
より前記物理量の方向及び大きさを二次元的に検知し、
かつ、Ｘ、Ｙ各軸に割り当てられた各センサにおいて、
当該各センサの可撓板の、各センサに割り当てられた
Ｘ、Ｙいずれかの軸を挟んで対向する位置に、曲げ剛性
が他の部分より高い部位を形成することにより、各作用
体の運動方向を拘束したことを特徴とするセンサユニッ
トが提供される。
【００１５】
【００１６】
【発明の実施の形態】 本発明は単一の三軸センサ構造
を有する一軸センサを適宜組み合わせたセンサユニット
である。そこで、まず、本発明に使用する単一の三軸セ
ンサ構造を有する一軸センサについて図面を参照しなが
ら説明する。
【００１７】 本発明に使用するセンサは、例えば図
３、図５に示すように、作用体１０と、当該作用体１０
を中心として周設された支台１１と、１組の電極に接す
る圧電体を有し、かつ、前記作用体１０を釣支して対向
する前記支台１１間に横架される１又は２以上の可撓板
１２により構成されるが（以下、この基本構造を「標準
型」という。）、例えば図６（ａ）、（ｂ）に示すよう
に、支柱１３と、当該支柱１３を中心として横架され
た、１組の電極に接する圧電体を有する１又は２以上の
可撓板１４と、当該可撓板１４の縁端部に釣支された作
用体１５により構成してもよい（以下、この基本構造を
「傘型」という。）。
【００１８】 傘型において、作用体たる重錘１５はそ
の慣性力により、Ｘ−Ｙ平面方向の加速度ａX 、ａY に
対しては図６（ａ）のような挙動を示し、Ｚ軸方向の加
速度ａZ については図６（ｂ）のような挙動を示すが、
標準型と同様に外部から作用する加速度ａの方向及び大
きさを検出することが可能である。通常、傘型の方が標
準型に比べ、重錘の体積ひいては質量を大きくすること
が容易であるため、可撓板の撓みを大きくとることがで
き、センサの高感度化を図ることが可能となる点におい
て好ましい。
【００１９】 本発明において、支台１１とは、作用体
１０を中心として周設された、可撓板１２及び作用体１
０を支持するための部材であるため、可撓板１２及び作
用体１０を支持し得る強度を有する限りにおいてその形
状、材質等は特に限定されない。
【００２０】 形状については、外部形状と中空部の形
状により特定され、例えば外部形状が四角柱状のものに
ついては、図３（ｂ）に示す円筒状中空部１６を有する
ものの他、図７に示す四角柱状中空部１７や図８に示す
八角柱状の中空部１８を有するもの等が考えられ、外部
形状については図９に示すような円筒状１９であっても
よい。Ｘ−Ｙ平面内の加速度に対する対称性が高い点を
考慮すると、図９に示すような外部形状、中空部とも円
筒状であるものが好ましい。なお、前記した傘型の場合
には、支柱１３が支台１１と同様の機能を果たすことに
なるが、例えば円筒状、多角柱状等の形状で構成するこ
とができる。支柱１３の材質等については支台１１に準
じて選択される。
【００２１】 また、支台１１の材質については、一定
の剛性を有する材質であることが好ましい。こうするこ
とにより、外部から加速度が加わった場合でも支台の変
形が少なくなるため、センサを搭載する対象物（例え
ば、自動車）の挙動を忠実に検出し得るようになり、セ
ンサ感度が向上する。即ち、当該搭載対象物の挙動を吸
収するような材質はセンサの感度、信頼性の低下につな
がるため好ましくなく、例えば金属、セラミックス等の
剛性が高い材質を用いることができるが、電磁波の影響
を受け難い点において、セラミックスにより構成するこ
とが好ましい。
【００２２】 更に、支台の剛性を高めるという点にお
いては、図１０に示すように、支台１１を有底中空体と
することが好ましい。底部２０を設けた場合、前記搭載
対象物へのセンサの接着が容易になる効果をも有する。
【００２３】 本発明における作用体１０としては、外
部から作用する物理量が力であれば棒状体を、磁力であ
れば磁性体を、加速度であれば重錘を用いればよい。本
発明は加速度センサとして最も好適に用いられるため、
重錘についてのみ説明する。
【００２４】 重錘１０とは、可撓板１２に釣支され、
外部から作用する加速度の大きさ、方向に基づいて発生
した力により、可撓板１２に撓みを生じさせるための部
材であって、その形状、材質等は特に限定されず、可撓
板１２に接着剤等により接着してもよく、或いは可撓板
１２と一体成形してもよい。
【００２５】 従って、形状としては、例えば図３
（ｂ）に示すような円筒状のものの他、図１１に示す四
角柱状のもの、図１２に示す八角柱状のもの等が考えら
れるが、Ｘ−Ｙ平面内の加速度に対する対称性が高い点
において、図３（ｂ）に示すような円筒状が好ましく、
可撓板１２から重心が離れる点において支台１１下部に
向かって外径が大きくなる円錐台形や下部円筒の外径が
大きい異径円筒状が更に好ましい。なお、センサの基本
構造が傘型である場合の重錘の形状としては、前述した
図３（ｂ）に示す標準型の支台１１と同様の円筒状中空
部を有する四角柱の形状等を用いることができる。
【００２６】 また、重錘１０の材質等については、十
分な質量があり、密度の高い材質であることが好まし
い。こうすることにより、外部から同じ加速度が加わっ
た場合でも重錘１０に発生する力が大きくなり可撓板１
２の撓みも大きくなるため、センサ感度が向上する。例
えば金属、セラミックス等の材質を用いることができる
が、電磁波の影響を受け難く、熱膨張率の低い点におい
て、セラミックスにより構成することが好ましい。
【００２７】 本発明において可撓板１２とは、重錘１
０を釣支して対向する支台１１間に横架された、若しく
は支柱１３を中心として横架され、その縁端部に重錘１
５を釣支した、圧電体を有する板状部材である。外部か
ら作用する加速度の大きさ、方向に基づいて重錘１０、
１５に発生した力により可撓板１２、１４が撓みを生
じ、当該撓みに応じて発生する前記圧電体の電荷量及び
電荷の極性パターンにより、前記物理量の方向及び大き
さを三次元的に検知することが可能となる。可撓性を有
し、重錘１０、１５の挙動により破損しない限りにおい
て、可撓板１２、１４の形状、材質等は特に限定されな
いが、可撓板１２、１４の弾性変形が容易であるほどセ
ンサの感度が向上するため好ましい。
【００２８】 従って、材質としては、例えば金属、セ
ラミックス、ガラス、樹脂等が使用できるが、ヤング率
が高く、圧電体に歪みを誘起しやすいことから、セラミ
ックスが好ましい。ただし、圧電体に電極を配設する関
係上、金属のような導電体を用いた場合には、絶縁処理
が必要となる場合がある。なお、図１３に示すように可
撓板１２全体を圧電体２１で構成することも可能であ
る。
【００２９】 一方、形状としては、図５（ｂ）に示す
ような１枚の板状体により構成してもよく、図３（ｂ）
に示す如く複数の長尺板を重錘１０−支台１１間若しく
は支柱１３−重錘１５間に放射状に複数架設してもよ
い。ただし、図３（ｂ）に示すように長尺板を用いた方
が、可撓板１２、１４の変形が容易であるため、より好
ましい。
【００３０】 長尺板を複数用いる場合においては、重
錘１０の上部平面の中心から放射状に、かつ、全方向に
対称に架設することが必要であるが、長尺板の本数、太
さ、架設の方法などについては圧電体２１の素子数、配
置方法、支台１１の形状等により適宜決定すべきであ
る。
【００３１】 長尺板の本数については、例えば図３
（ｂ）のような８本跨設するタイプが考えられるが、
Ｘ、Ｙ、Ｚの各軸について独立に電荷の検出を行うので
あれば、少なくとも各軸について２本づつ計６本の長尺
板を架設すれば足り、Ｘ、Ｙ軸用とＺ軸用の圧電体を配
設する長尺板を共用した場合には図１４のように４本と
することも可能である。また、図１５のように一方向に
対し複数本づつ架設してもよい。ただし、配線が単純で
あり、調整が容易な図１４の４本タイプが好ましい。
【００３２】 可撓板には少なくとも１組の電極に接す
る圧電体が配設されている。当該圧電体は外部から作用
する加速度に基づいて重錘に発生した力を可撓板の撓み
に変換し、当該撓みを圧電体で検知することにより加速
度の方向及び大きさを検出するためのものである。圧電
体としては、例えばＰＺＴ、ＰＭＮ、ＰＮＮ等の圧電セ
ラミックスや有機圧電体を用いることができるが、圧電
特性に優れるＰＺＴを用いることが好ましい。
【００３３】 圧電体は、円形可撓板若しくは長尺可撓
板自体を圧電体で構成してもよいが、例えば図１３と同
様に支台１１上面に設けられた１枚の円形可撓板１２の
上面全体に、若しくは図３に示すような放射状に架設さ
れた複数の長尺可撓板１２の上面全体に配設することが
でき、図５に示す如く前記円形可撓板１２上に重錘１０
中心を原点Ｏとして放射状に圧電体を配設することもで
きる。前記圧電体の任意の部分の上下面に１組の電極を
配設することにより、当該部分が「圧電素子」となる。
【００３４】 圧電体を放射状に配設する場合には、
Ｘ、Ｙ、Ｚの各軸について独立に電荷の検出を行うので
あれば、少なくとも各軸について２本づつ計６本の圧電
体を配設すれば足り、Ｘ、Ｙ軸用とＺ軸用の圧電体を共
用した場合には図１４と同様に４本とすることも可能で
ある。また、図１５と同様に一方向に対し複数本づつ配
設してもよい。
【００３５】 また、前記の場合において、各々の圧電
体を単一の圧電体とする必要はなく、図１６、図１７に
示すように、前記「圧電素子」ごとに分割して圧電体２
１を設置してもよい。圧電体２１を分割した場合の各々
の圧電体の形状は特に限定されず、図１６、図１７に示
すような矩形の他、図１８に示すような円形や図１９に
示すような短冊状などを用いることができる。
【００３６】 更に、円形可撓板を用いている場合に
は、図２０〜図２２に示すように、扇型若しくは円形の
圧電体２１を分割して配設してもよい。なお、図２０は
Ｘ、Ｙ軸方向各２素子、Ｚ軸方向４素子の例であり、図
２１はＸ、Ｙ軸方向各２素子、Ｚ軸方向１素子、図２２
はＸ、Ｙ軸方向各２素子、Ｚ軸方向２素子の例である。
【００３７】 圧電体は上部電極と下部電極の少なくと
も１組の電極に接し、かつ、挾持される。前述の通り、
圧電体において上部電極と下部電極により挾持されてい
る部分が「圧電素子」となるため、素子数は圧電体の数
のみならず、電極の配置の仕方によっても増加させるこ
とができる。例えば２素子を形成する場合に、図２３の
ように上部電極２２、圧電体２１、下部電極２３を各々
分割して形成するものの他、上部電極２２、下部電極２
３をそれぞれ分割することにより、図２４のように単一
の圧電体２１を２素子に共用してもよく、更には、図２
５に示すように圧電体２１及び下部電極２３を２素子に
共用することもできる。
【００３８】 以上のような構成のセンサは、グリーン
シート積層、スクリーン印刷等の技術を用いることによ
り小型で高精度のものを簡易に製造することが可能であ
る。
【００３９】 本発明のセンサユニットは、前記センサ
を一平面上に少なくとも３基配設したセンサユニットを
構成する。こうすることにより、外部から作用する物理
量をＸ、Ｙ、Ｚ各軸方向の成分ごとに独立に検出するこ
とが可能となる。
【００４０】 なお、従来の単一方向にのみ感度を有す
るセンサを３基組み合わせた場合には、各検出方向に合
わせて各々のセンサを配設する必要がある。即ち、各セ
ンサを立方体の三面に貼着する等、立体的に配設する必
要があり、センサ全体の配設スペースが大きくなる問題
がある。一方、本発明のセンサユニットは、各センサを
三軸センサ構造を有する一軸センサにより構成している
ため、一平面上に各センサを配設することが可能であり
そのような問題はない。
【００４１】 また、本発明のセンサユニットにおいて
は、１基の三軸センサを用いた場合と異なりセンサが３
基になるため、作用点（例えば、重錘）が３点に分離す
ることになるが、前述の通り、グリーンシート積層、ス
クリーン印刷等の技術を用いることにより十分に小型の
ものを等価に製造可能なため、作用点間の距離、作用体
の相違は無視し得る。許容できるセンサユニットの大き
さは搭載対象物により異なるが、ヘッドマウントディス
プレイであれば２０ｍｍ角程度、車載用であれば４０ｍ
ｍ角程度であれば許容できると考えられ、また、そのよ
うなものを製造することも十分可能である。
【００４２】 本発明のセンサユニットは、外部から作
用する物理量をＸ、Ｙ、Ｚ各軸方向の成分ごとに独立に
検出するため、センサは少なくとも３基必要である。た
だし、各センサ２４の配列方法については特に限定され
ず、図２６に示すように短冊状の基板２５に並設するも
のの他、Ｌ字状に配設してもよく、図２７、２８のよう
に円形の基板２６や三角形の基板２７に配設してもよ
い。図２７、２８の場合にはセンサユニット全体の設置
面積が少なくて済む点において好ましい。なお、例えば
自動車のエアバッグ用のセンサ等、Ｘ−Ｙ平面内のみ、
即ち２次元の加速度を検知すれば足りる場合には図２９
に示すようにセンサ２４は２基あれば足りることにな
る。
【００４３】 以下、本発明のセンサユニットにおける
基本的な圧電体及び電極配置を示す。図３０は本発明の
センサユニットの上面図、図３１は正面からの透視図で
ある。左側からＸ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用に特定されたセ
ンサ３０、３１、３２が配設され、円形可撓板３３、３
４、３５上には図示されない少なくとも１組の電極に上
面及び下面を挾持された圧電体４０、４１、４２が載置
され、円形可撓板３３、３４、３５中心の下面には重錘
３６、３７、３８が釣支されている。
【００４４】 前記センサユニットにおいて、Ｘ軸方向
に加速度が作用した場合、可撓板３３、３４、３５上に
載置した圧電体４０、４１、４２には図３０（ｂ）、図
３１（ｂ）に示すような電荷が発生し得る。ここで、Ｚ
軸用センサ３２は単一の圧電体４２より構成されるた
め、当該圧電体４２の上面（若しくは下面）内に相反す
る等価な電荷が生じるが、圧電体４２中で相殺され上下
電極間に電圧は生じず、Ｙ軸用センサ３１は２つの圧電
体４１を有するが、圧電体４１がＸ軸に平行するように
配設されているため、各圧電体４１の上面（若しくは下
面）内に相反する等価な電荷が生じるため、やはり電荷
は圧電体４１中で相殺され上下電極間に電圧は生じな
い。従って、Ｘ軸用センサ３０の電極間にのみ電圧が生
じることになる。Ｙ軸方向に加速度が作用した場合にも
同様の現象が生ずる。
【００４５】 一方、Ｚ軸方向に加速度が作用した場
合、可撓板３３、３４、３５上に載置した圧電体４０、
４１、４２には図３０（ｃ）、３１（ｃ）に示すような
電荷が発生し得る。ここで、Ｘ軸用センサ３０は２つの
圧電体４０を有し、各２つの圧電体４０の上面（若しく
は下面）に等価な電荷が生じ、かつ、上下電極間にも電
圧が生じるが、Ｘ軸方向に加速度が生じた場合とは極性
パターンが異なるため、この場合にのみ２つの圧電体４
０から生じた等価な電荷を相殺するように結線する。Ｙ
軸用センサ３１にも同様の結線を行うことにより、Ｚ軸
用センサ３２のみ電気的出力がなされることになる。こ
うすることにより、各センサは各軸ごとの出力を行わせ
ることが可能となる。なお、圧電体及び電極の形状につ
いては特に限定されず、図３０に示すように円形可撓板
上に配設するものの他、図３２（ａ）のように、正方形
可撓板上に配設してもよい。
【００４６】 また、本発明のセンサユニットでは、３
基のセンサを各軸に割り当てているため、各センサは各
々の軸方向の成分のみ（例えば、Ｘ軸用センサはＸ軸方
向の成分のみ）を検出すればよい。従って、Ｘ、Ｙ、Ｚ
各軸に割り当てられた各々のセンサにおいて、作用体の
運動方向を拘束することにより、外部から作用する物理
量の、各センサの検出成分に対する感度に異方性をもた
せる。こうすることにより、各センサは他の軸方向の成
分については感度がなくなるため、Ｘ、Ｙ、Ｚ各軸方向
の成分同士の影響を排除でき、外部から作用する物理量
をより正確に検出することが可能となる。
【００４７】 具体的には、Ｘ、Ｙ各軸に割り当てられ
た各センサにおいて、当該各センサの可撓板の、各セン
サに割り当てられたＸ、Ｙいずれかの軸を挟んで対向す
る位置に、曲げ剛性が他の部分より高い部位を形成す
る。図１（ｂ）の左端に位置するＸ軸用センサ３０及び
中央に位置するＹ軸用センサ３１については、可撓板３
３、３４に釣支された作用体（重錘）３６、３７の両脇
部分に張り出し部４４、４５を設けて、曲げ剛性を高く
構成している。
【００４８】 従って、当該張り出し部４４、４５に、
曲げ応力のみが作用するＺ軸方向への重錘３６、３７の
運動は拘束されるが、張り出し部４４、４５に曲げ応力
が作用しない方向、即ち、Ｘ軸用センサ３０にあっては
Ｘ軸方向、Ｙ軸用センサ３１にあってはＹ軸方向への重
錘３６、３７の運動は拘束されない。こうすることによ
り、２基のセンサがＸ、Ｙ各軸方向の成分のみを独立し
て正確に検知することが可能となる。
【００４９】 また、Ｚ軸用センサについては、作用体
３８の重心を可撓板３５面内に位置させることが好まし
く、具体的には、例えば図１（ｂ）右端に位置するセン
サ３２に示すように、作用体３８をＸ−Ｙ平面を挟んで
同一の形状となるように形成する。この構成により、作
用体３８は、Ｘ−Ｙ平面の上面側と下面側とのバランス
が保たれるため、Ｘ軸、Ｙ軸方向には運動し難くなり、
Ｚ軸方向に運動し易くなる。従って、センサ３２はＸ
軸、Ｙ軸方向への加速度に対する感度はなくなり、Ｚ軸
方向の成分のみを正確に検知することが可能となる。
【００５０】 この他、作用体３６、３７の運動方向を
拘束する方法としては、例えば、各センサの可撓板３
３、３４の、各センサ３０、３１に割り当てられたＸ、
Ｙいずれかの軸を挟んで対向する位置に、他の部分より
厚い部位を形成してもよい。具体的には、積層による一
体成形により又はスクリーン印刷、補強部材の貼着、若
しくは転写等の方法により当該部分を厚く構成すること
ができるが、積層による一体成形が比較的簡易に製造す
ることが可能なため好ましい。
【００５１】 また、各センサ３０、３１の可撓板３
３、３４の、各センサ３０、３１に割り当てられたＸ、
Ｙいずれかの軸を挟んで対向する位置に、他の部分より
硬い部位を形成しても同様の効果を得ることができる。
この場合には、可撓板３３、３４の当該箇所に対し、硬
化剤を塗布、散布等して当該部分を硬く構成することが
できる。硬化剤としては、可撓板を構成する材料と化学
反応、固溶等により硬度の上がるもの等を用いることが
できる。なお、可撓板３３、３４の上面全体に圧電体４
０、４１が形成されている場合には、可撓板３３、３４
のみならず圧電体４０、４１の一部に他の部分より硬い
部位を形成することにより同様の効果を得ることも可能
である。
【００５２】
【実施例】以下、前記の構成を適用した本発明のセンサ
ユニットの実施例を示す。 （実施例１） 図１は、中心に重錘３６、３７、３８を
釣支した円形可撓板３３、３４、３５上に圧電体４０、
４１、４２及び電極を配置した例である。図左端のＸ軸
用センサ３０については可撓板３３に釣支された重錘３
６の、Ｘ軸を挟んで対向する位置に、図中央のＹ軸用セ
ンサ３１については可撓板３４に釣支された重錘３７
の、Ｙ軸を挟んで対向する位置に、曲げ剛性の高い平板
状の張り出し部４４、４５を設けている。
【００５３】 Ｙ軸用センサ３１では、張り出し部４
４、４５に曲げ応力が作用するＸ軸、Ｚ軸方向への重錘
３７の運動は拘束される一方、張り出し部４４、４５に
曲げ応力が作用しないＹ軸方向への重錘３７の運動は拘
束されない。Ｘ軸用センサ３１についても同様の現象が
起こる。
【００５４】 また、図右端のＺ軸用センサ３２につい
ては、作用体３８の重心を可撓板３５の面内に位置させ
るため、作用体３８をＸ−Ｙ平面を挟んで同一の形状と
なるように形成している。作用体３８は、Ｘ−Ｙ平面の
上面側と下面側とのバランスが保たれるため、Ｘ軸、Ｙ
軸方向には運動し難くなり、Ｚ軸方向に運動しやすくな
る。従って、図１のセンサユニットでは、各センサが
Ｘ、Ｙ、Ｚの各軸成分についてのみ各々正確に検知する
ことが可能となる。
【００５５】（実施例２） 図３２（ｂ）は、正方形状
の可撓板３３、３４、３５に圧電体４０、４１、４２及
び電極を配置した図３２（ａ）を基本構造とし、各セン
サ３０、３１の可撓板３３、３４に空隙部５０、５１を
設けた例である。このようにすることで、可撓板３３、
３４が撓み易くなり、センサの高感度化を図ることがで
きる。
【００５６】（実施例３） 図３３は、図３２（ａ）を
基本構造として、Ｚ軸用センサ３２の可撓板３５の上面
に載置される重錘部分を圧電体５５により構成した例で
ある。かかる構成では、重錘部分と圧電体５５を一括印
刷等により簡易に製造することが可能である利点があ
る。
【００５７】（実施例４） 図３４は、図３２（ｂ）の
各センサの基本構造を傘型とした例である。傘型とは、
支柱６５、６６、６７と当該支柱を中心として横架され
た、少なくとも１組の電極に接する圧電体４０、４１、
４２を有する可撓板３３、３４、３５により構成される
センサの基本構造をいう。基本構造を傘型とすること
で、重錘５６、５７、５８の質量を大きくすることが容
易となり、センサの高感度化を図ることが容易となる。
【００５８】 図３５は、実施例１と同様の構成におい
て、支台７０に底部７１を設けた例である。支台７０に
底部７１を設けることで支台の剛性が向上し、センサの
搭載対象物（例えば自動車）の挙動を忠実に検出し得る
のに加え、当該搭載対象物への接合が容易となる。
【００５９】
【発明の効果】 以上説明したように、本発明のセンサ
ユニットによれば、Ｘ、Ｙ、Ｚ各軸成分間の影響を排除
できるため、各軸成分ごとに正確な検出が可能となり、
センサの検出限界を維持しつつ、更にその検出精度を向
上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のセンサユニットの一の実施例を示す
上面図（ａ）、正面透視図（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）であ
る。
【図２】 本発明に使用するセンサの一の実施例を示す
概略斜視図である。
【図３】 本発明に使用するセンサの一の実施例を示す
概略斜視図（ａ）、上面図（ｂ）である。
【図４】 本発明に使用するセンサの作動状況を示す概
念図（ａ）、（ｂ）である。
【図５】 本発明に使用するセンサの一の実施例を示す
概略斜視図（ａ）、上面図（ｂ）である。
【図６】 本発明に使用するセンサの作動状況を示す概
念図（ａ）、（ｂ）である。
【図７】 本発明に使用するセンサの一の実施例を示す
上面図である。
【図８】 本発明に使用するセンサの一の実施例を示す
上面図である。
【図９】 本発明に使用するセンサの一の実施例を示す
上面図である。
【図１０】 本発明に使用するセンサの一の実施例を示
す正面透視図である。
【図１１】 本発明に使用するセンサの一の実施例を示
す上面図である。
【図１２】 本発明に使用するセンサの一の実施例を示
す上面図である。
【図１３】 本発明に使用するセンサの一の実施例を示
す上面図である。
【図１４】 本発明に使用するセンサの一の実施例を示
す上面図である。
【図１５】 本発明に使用するセンサの一の実施例を示
す上面図である。
【図１６】 本発明に使用するセンサの一の実施例を示
す上面図である。
【図１７】 本発明に使用するセンサの一の実施例を示
す上面図である。
【図１８】 本発明に使用するセンサの一の実施例を示
す上面図である。
【図１９】 本発明に使用するセンサの一の実施例を示
す上面図である。
【図２０】 本発明に使用するセンサの一の実施例を示
す上面図である。
【図２１】 本発明に使用するセンサの一の実施例を示
す上面図である。
【図２２】 本発明の使用するセンサの一の実施例を示
す上面図である。
【図２３】 本発明の使用するセンサの一の圧電体及び
電極配置の例を示す概略斜視図である。
【図２４】 本発明の使用するセンサの一の圧電体及び
電極配置の例を示す概略斜視図である。
【図２５】 本発明の使用するセンサの一の圧電体及び
電極配置の例を示す概略斜視図である。
【図２６】 本発明のセンサユニットの一の実施例を示
す上面図である。
【図２７】 本発明のセンサユニットの一の実施例を示
す上面図である。
【図２８】 本発明のセンサユニットの一の実施例を示
す上面図である。
【図２９】 本発明のセンサユニットの一の実施例を示
す上面図（ａ）、正面透視図（ｂ）、（ｃ）である。
【図３０】 本発明のセンサユニットの一の実施例を示
す上面図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）である。
【図３１】 本発明のセンサユニットの一の実施例を示
す正面透視図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）である。
【図３２】 本発明のセンサユニットの一の実施例を示
す上面図（ａ）、（ｂ）、正面透視図（ｃ）である。
【図３３】 本発明のセンサユニットの一の実施例を示
す上面図（ａ）、正面透視図（ｂ）である。
【図３４】 本発明のセンサユニットの一の実施例を示
す上面図（ａ）、正面透視図（ｂ）である。
【図３５】 本発明のセンサユニットの一の実施例を示
す上面図（ａ）、正面透視図（ｂ）である。
【符号の説明】
１…重錘、２…支台、３…可撓板、４…撓み、５…圧電
体、１０…作用体、１１…支台、１２…可撓板、１３…
支柱、１４…作用体、１５…作用体、１６…円筒状中空
部、１７…四角柱状中空部、１８…八角柱状中空部、１
９ａ…円筒状外部形状、２０…底部、２１…圧電体、２
２…上部電極、２３…下部電極、２４…センサ、２５…
円形基板、２６…三角形基板、３０，３１，３２…セン
サ、３３，３４，３５…円形可撓板、３６，３７，３８
…重錘、４０，４１，４２…圧電体、４４，４５…張り
出し部、５０，５１…空隙部、５５…圧電体、５６，５
７，５８…重錘、６０，６１，６２…傘型センサ、６
５，６６，６７…支柱、７０…支台、７１…底部。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−279867（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−128358（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−80071（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−174782（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−315056（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−249727（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01P 15/09 G01L 5/16

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 作用体と、 当該作用体を中心として周設された、中空部を有する支
    台と、 少なくとも１組の電極に接する圧電体を有し、かつ、前
    記支台の中空部の中心に前記作用体を釣支するように前
    記支台に横架された可撓板により構成され、 外部から作用する物理量を、当該物理量に対応して生ず
    る前記作用体の挙動に基づく前記可撓板の撓みに変換
    し、当該可撓板の撓みに応じて前記圧電体から発生する
    電荷により、前記物理量の大きさを検知するセンサにお
    いて、 当該センサを一平面上に少なくとも３基配設したセンサ
    ユニットを構成し、 前記可撓板の前記作用体が釣支されている中心点を原点
    Ｏとし、当該原点Ｏを含み可撓板に平行な平面をＸ−Ｙ
    平面としたＸ−Ｙ−Ｚの３次元座標系を規定した場合に
    おいて、 前記３基のセンサを当該３次元座標系のＸ、Ｙ、Ｚ各軸
    に割り当て、各作用体の運動方向を拘束することによ
    り、外部から作用する物理量の、各センサの検出成分に
    対する感度に異方性をもたせて、外部から作用する物理
    量をＸ、Ｙ、Ｚ各軸方向の成分ごとに独立に検出するこ
    とにより前記物理量の方向及び大きさを三次元的に検知
    し、かつ、 Ｘ、Ｙ各軸に割り当てられた各センサにおいて、 当該各センサの可撓板の、各センサに割り当てられた
    Ｘ、Ｙいずれかの軸を挟んで対向する位置に、曲げ剛性
    が他の部分より高い部位を形成することにより、各作用
    体の運動方向を拘束した ことを特徴とするセンサユニッ
    ト。
  2. 【請求項２】 作用体と、 当該作用体を中心として周設された、中空部を有する支
    台と、 少なくとも１組の電極に接する圧電体を有し、かつ、前
    記支台の中空部の中心に前記作用体を釣支するように前
    記支台に横架された可撓板により構成され、 外部から作用する物理量を、当該物理量に対応して生ず
    る前記作用体の挙動に基づく前記可撓板の撓みに変換
    し、当該可撓板の撓みに応じて前記圧電体から発生する
    電荷により、前記物理量の大きさを検知するセンサにお
    いて、 当該センサを一平面上に少なくとも３基配設したセンサ
    ユニットを構成し、 前記可撓板の前記作用体が釣支されている中心点を原点
    Ｏとし、当該原点Ｏを含み可撓板に平行な平面をＸ−Ｙ
    平面としたＸ−Ｙ−Ｚの３次元座標系を規定した場合に
    おいて、 前記３基のセンサを当該３次元座標系のＸ、Ｙ、Ｚ各軸
    に割り当て、各作用体の運動方向を拘束することによ
    り、外部から作用する物理量の、各センサの検出成分に
    対する感度に異方性をもたせて、外部から作用する物理
    量をＸ、Ｙ、Ｚ各軸方向の成分ごとに独立に検出するこ
    とにより前記物理量の方向及び大きさを三次元的に検知
    し、かつ、 Ｘ、Ｙ各軸に割り当てられた各センサにおいて、 各センサの可撓板の、各センサに割り当てられたＸ、Ｙ
    いずれかの軸を挟んで対向する位置に、他の部分より厚
    い部位を形成することにより、各作用体の運動方向を拘
    束したことを特徴とする センサユニット。
  3. 【請求項３】 積層による一体成形により、可撓板の一
    部に他の部分より厚い部位を形成した請求項２に記載の
    センサユニット。
  4. 【請求項４】 スクリーン印刷、補強部材の貼着、若し
    くは転写により、可撓板の一部に他の部分より厚い部位
    を形成した請求項２に記載のセンサユニット。
  5. 【請求項５】 作用体と、 当該作用体を中心として周設された、中空部を有する支
    台と、 少なくとも１組の電極に接する圧電体を有し、かつ、前
    記支台の中空部の中心に前記作用体を釣支するように前
    記支台に横架された可撓板により構成され、 外部から作用する物理量を、当該物理量に対応して生ず
    る前記作用体の挙動に基づく前記可撓板の撓みに変換
    し、当該可撓板の撓みに応じて前記圧電体から発生する
    電荷により、前記物理量の大きさを検知するセンサにお
    いて、 当該センサを一平面上に少なくとも３基配設したセンサ
    ユニットを構成し、 前記可撓板の前記作用体が釣支されている中心点を原点
    Ｏとし、当該原点Ｏを含み可撓板に平行な平面をＸ−Ｙ
    平面としたＸ−Ｙ−Ｚの３次元座標系を規定した場合に
    おいて、 前記３基のセンサを当該３次元座標系のＸ、Ｙ、Ｚ各軸
    に割り当て、各作用体の運動方向を拘束することによ
    り、外部から作用する物理量の、各センサの検出 成分に
    対する感度に異方性をもたせて、外部から作用する物理
    量をＸ、Ｙ、Ｚ各軸方向の成分ごとに独立に検出するこ
    とにより前記物理量の方向及び大きさを三次元的に検知
    し、かつ、 Ｘ、Ｙ各軸に割り当てられた各センサにおいて、 各センサの可撓板の、各センサに割り当てられたＸ、Ｙ
    いずれかの軸を挟んで対向する位置に、他の部分より硬
    い部位を形成することにより、各作用体の運動方向を拘
    束したことを特徴とするセンサユニット。
  6. 【請求項６】 硬化剤の塗布、若しくは散布により可撓
    板、若しくは可撓板の上面全体に形成された圧電部材の
    一部に他の部分より硬い部位を形成した請求項５に記載
    のセンサユニット。
  7. 【請求項７】 Ｚ軸に割り当てられたセンサにおいて、 当該センサの可撓板に釣支される作用体の重心を前記可
    撓板面内に位置させることにより、当該作用体の運動方
    向を拘束した請求項１〜６のいずれか一項に記載のセン
    サユニット。
  8. 【請求項８】 作用体をＸ−Ｙ平面を挟んで同一の形状
    となるように形成することにより、当該作用体の重心を
    前記可撓板面内に位置させた請求項７に記載のセンサユ
    ニット。
  9. 【請求項９】 作用体と、 当該作用体を中心として周設された、中空部を有する支
    台と、 少なくとも１組の電極に接する圧電体を有し、かつ、前
    記支台の中空部の中心に前記作用体を釣支するように前
    記支台に横架された可撓板により構成され、 外部から作用する物理量を、当該物理量に対応して生ず
    る前記作用体の挙動に基づく前記可撓板の撓みに変換
    し、当該可撓板の撓みに応じて前記圧電体から発生する
    電荷により、前記物理量の大きさを検知するセンサにお
    いて、 当該センサを一平面上に２基配設したセンサユニットを
    構成し、 前記可撓板の前記作用体が釣支されている中心点を原点
    Ｏとし、当該原点Ｏを含み可撓板に平行な平面をＸ−Ｙ
    平面とした２次元座標系を規定した場合において、 前記２基のセンサを当該２次元座標系のＸ、Ｙ各軸に割
    り当て、各作用体の運 動方向を拘束することにより、外
    部から作用する物理量の、各センサの検出成分に対する
    感度に異方性をもたせて、外部から作用する物理量を
    Ｘ、Ｙ各軸方向の成分ごとに独立に検出することにより
    前記物理量の方向及び大きさを二次元的に検知し、か
    つ、 Ｘ、Ｙ各軸に割り当てられた各センサにおいて、 当該各センサの可撓板の、各センサに割り当てられた
    Ｘ、Ｙいずれかの軸を挟んで対向する位置に、曲げ剛性
    が他の部分より高い部位を形成することにより、各作用
    体の運動方向を拘束した ことを特徴とするセンサユニッ
    ト。
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