JPH036461A - 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重微分で得られるので、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　、　０．１６Ｈ２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．ＯＩＧ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」−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、
信号安定化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りるおそれがあり、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ｔａ＋　、　（ｂｌ　、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１０′２〜１
０′６Ωｃｍ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。

この圧電振動子６ば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５ｘｌＯ−５／’ｃ以
下で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、シリコンウェーハーなと）、金属等が用い
られる。

圧電体１上の正、負電極２，３を電子回路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１３１４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
ーポール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１−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、外部高岡ノイ
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、モ
ンサ感度の温度依存性を一定にすることができる。

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、Ｒ１はソ
ース抵抗、Ｖｃ（は電圧端、Ｒはゲート抵抗、Ｑ、はイ
ンピーダンス変換用電界効果トランジスタ、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
Ｒ３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　＋　、　Ｔ　２はフィルタ部を構成する
。Ａ　Ｉ’　、　Ａ　ｚは初段、後段アンプ、Ｒ３’　
、Ｒ，＋　　、Ｒｈ　　、Ｒ７は０ それぞれ利得調整回路２９を構成する初段、後段アンプ
Ａ　＋　　、　Ａ　ｚ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．Ｑ、はそれぞれ抵抗
Ｒ２，Ｒ５に並列に抵抗した第１．第２スイツチング用
電界効果トランジスタ、Ｄｌ、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．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Ｍｌ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、、Ｍ、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Ｑ２．Ｑ、はダイオードリーク電流によりゲー
ト、ソース間電圧ＶＣＳ−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、、Ｍ、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、、Ｑ、はそれ
ぞれオフする。ここで電界効果トランジスタＱ２゜Ｑ、
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Ａ、
、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Ｔ１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
Ｍ１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、１．期間Ｒｚ＝
ＯΩ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。ｔ１期間後第１ ２ 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期期間１＃ＯΩ
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の直流オフセン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■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、カーボンもしぐは／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ｌ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、高周波電磁波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１
１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ｌとして、ＰＩ３ ４ （ＶＤＣＮ／ＶＣＡ）−ポリ　（ビニリデンシアナイド
／酢酸ビニル）共重合樹脂を用いた。

この圧電体１を、厚さ２０μｍ直径１９酊の円板状に形
成した。

圧電体１の一面に直径１３．５φの正電極２、内径１４
φ外形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は振動子６とした。

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　＋＋＋＋　、　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。

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。

５ ６

【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図はその動作説明図である。 １・・・・・・圧電体、２．３・・・・・・正、負電極
、４・・・・・・中立電極、６・・・・・・圧電振動子
、７，７ａ・・・・・・回路基板、８・・・・・・信号
処理電子回路、９・・・・・・断熱層、１ｏ。 １１・・・・・・内、外部導電層。 ７ ４５８− 手 続 補 正 書 （方式） ％式％ 発明の名称 加速度センサ ３゜ 補正をする者 事件との関係　　特許出願人 ６０５　三菱油化株式会社 ４゜ 代 理 人 住 所 口１４３東京都大田区山王２丁目１番８号平成１年９月
２６日 （発送口）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧電体１の両面に電極を設けて圧電振動子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。