JPH077011B2 - 圧電型加速度センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、運動する物体に搭載されてその運動体の加速
度を検出する加速度センサに関するもので、特に、運動
体に固定されたケースに相対変位可能に取り付けられた
振動子と、その振動子の運動体との相対変位を検出して
その相対変位に比例した電圧を発生する圧電素子とを備
えた圧電型加速度センサに関するものである。

（従来の技術） 一般に、運動する物体の加速度を検出する加速度センサ
は、大別すると、圧電型、動電型、サーボ型、歪みゲー
ジ型の４種類のセンサに分類される。それらのセンサの
うち、一般の加速度計測分野で最も多く使用されるのは
圧電型センサであり、その他のセンサは主に特殊計測分
野で使用されている。

そのような圧電型加速度センサの一般的なものは、運動
する物体に固定されたケースに振動子が相対変位可能に
取り付けられ、その振動子に圧電素子が面接合されてい
て、その圧電素子が振動子の相対変位によって歪むこと
により運動体の加速度に比例した電圧を発生するように
したものである。

ところで、自動車にいては、運転操作ができるだけ簡単
化さるとともに、より快適な走行フィーリングが得られ
るようにすることが求められている。そのために、自動
車の各種制御に関してよりきめの細かい制御を行うこと
が必要となっている。そこで、近年のエレクトロニトス
による制御技術の発展と相まって、自動車の技術分野に
もエレクトロニクスによる制御が急速に普及してきてい
る。その場合、車両の走行状態あるいはエンジン等の各
種部品の作動状態を把握することが必要であり、そのた
めに自動車には各種のセンサが設けられている。例え
ば、上述のような圧電型加速度センサも車両の加速度を
知るために使用されている。

そのような圧電型加速度センサが自動車に用いられてい
る一例としては、特公昭58-22377号公報に示されている
ようなエアバッグ装置の作動制御回路がある。その作動
制御回路には、エアバッグ装置を作動させるために所定
の大きさの加速度を検出する加速度センサが用いられて
いる。その加速度センサは圧電型のものとされ、車両の
減速度が所定の大きさとなったとき、それを検知して電
圧信号を出力するようにされている。そして、その出力
信号によってエアバッグ装置の燃焼室内の火薬が爆発
し、エアバッグが膨らんで乗員を座席位置に保持するよ
うになっている。

このような加速度センサは、車両の加速度を正確に検出
すべく、常時正常に作動していることが必要である。し
たがって、加速度センサを定期的に診断することが不可
欠となっている。

（発明が解決しようとする問題点） ところで、上述のような従来の圧電型加速度センサは、
加速度を検出するセンサ機能だけしか有していない。し
たがって、センサを診断するためには、センサに振動や
衝撃等を機械的に与えなければならない。そのために
は、加振装置等の特別の付帯設備が必要となる。そのよ
うな付帯設備は一般に大型に形成されることが多いの
で、それを乗用車等の一般的な自動車に常時搭載するこ
とができない。その結果、センサを診断するために、セ
ンサを車両から取り外して、加振装置等が設置してある
場所に持って行って診断を行うことを余儀なくされてい
る。そのために、手間がかかり、いつでも、どこでも簡
単に加速度センサを診断することは不可能となってい
た。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであっ
て、その目的は、車両に設置した状態で簡単にいつでも
診断することができる圧電型加速度センサを得ることで
ある。

（問題点を解決するための手段） この目的を達成するために、本発明では、圧電型加速度
センサの圧電素子に取り付けられる電極を、複数個に分
割して形成するようにしている。そして、それらの電極
の一部を、加速度に比例した電圧信号を出力する出力端
子として用い、それらの電極の残りを、診断電圧信号が
入力される入力端子として用いるようにしている。

（作用） このように構成することにより、運動体に加速度が生じ
たときには、センサの振動子が運動体に対して相対変位
するので、その相対変位により圧電素子が歪んで加速度
に比例した電圧を発生し、その電圧信号が出力端子から
出力される。すなわち、センサによって加速度が検出さ
れる。

また、センサの入力端子に診断電圧信号を入力すると、
そのセンサが正常であるときには、その電圧に比例して
圧電素子に歪みが生じる。すなわち、センサの振動子の
振動加速度によって圧電素子に歪みが生じた状態と等価
になる。そして、その歪みに比例して圧電素子は電圧を
発生するから、出力端子から診断電圧信号に対する所定
の大きさの電圧信号が出力される。したがって、その電
圧信号により、センサが正常であることが確認される。

センサが異常であると、診断電圧信号を入力しても、出
力端子からはその入力信号に対応した所定の大きさの電
圧信号が出力されない。あるいは電圧信号が全く出力さ
れない。それによって、センサが異常であることが認識
される。

このように、センサは、加速度を検出するセンサ機能と
センサ自体の異常を検出する自己診断機能とを有するも
のとなる。

（実施例） 以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。

図中、第1,2図は本発明による圧電型加速度センサの一
実施例を示し、第１図はそのセンサの縦断面図で、第２
図は第１図において矢印Ａ方向から見た平面図である。

第１図から明らかなように、金属又は導電性樹脂によっ
て形成された円筒形のケース１の中央突出部1aに、円形
の振動子２の中心部が適宜の固定手段によって固定され
ている。その振動子２の外周端は自由とされていて、振
動子２が撓み変形することにより、ケース１対して相対
的に変位可能とされている。振動子２には、圧電セラミ
ックスによって形成された圧電素子３の一方の面が面接
合されている。そして、圧電素子３の他方の面には、銀
によって形成さた薄板の電極４が貼り付けられている。

第２図から明らかなように、その電極４は４個に分割し
て形成されており、それら分割された第１〜第４電極4a
〜4dはそれぞれ互いに絶縁されている。

このようにして圧電型加速度センサ５が形成されてい
る。

第３図は、このような圧電型加速度センサ５及びその自
己診断回路が組み込まれた自動車用エアバッグ装置の作
動制御回路を示す回路図である。

この図から明らかなように、互いに対向する第1,第３電
極4a,4cにはそれぞれ第１、第２出力線6,7が接続されて
おり、それら出力線6,7は１本に結線さて増幅器８の非
反転入力端子に接続されている。増幅器８の出力端子
は、エアバッグ装置の作動制御回路内の第１計算回路９
に接続されている。計算回路９の出力側は第１駆動回路
10に接続されており、更に駆動回路10はエアバッグ装置
のインフレータ11の第１スイッチを構成する第１トラン
ジスタ12のベースに接続されている。インフレータ11の
通電回路には、第１トランジスタ12と並列に、もう１つ
の第２トランジスタ13がインフレータ11の第２スイッチ
として設けられている。増幅器８の出力端子は、また、
第１トランジスタ12との接続回路と並列に、第２計算回
路14及び第２駆動回路15を介して第２トランジスタ13の
ベースに接続されている。インフレータ11は、第３スイ
ッチ16を介して電源17に接続されている。この第３スイ
ッチ16は、例えば慣性体によって加速度を検出する機械
的な加速度センサ等によって作動される。

第１、第２計算回路9,14は、車両の衝突等によって車両
に生じるような極めて大きい減速度に対応する大きさの
増幅器８の出力が入力されたときに、それぞれ第１、第
２駆動回路10,15に出力信号を発するようにされてい
る。したがって、増幅器８の出力が比較的小さいときに
は、両計算回路9,14は何らの出力信号も発することがな
いようにされている。

一方、センサ５の第２、第４電極4b,4dには、それぞれ
第１、第２入力線18,19が接続されており、それら入力
線18,19は１本に結線されてパルス発生回路20に接続さ
れている。このパルス発生回路20には、診断回路21も接
続されている。また、診断回路21には増幅器８の出力端
子が接続されており、診断回路21の出力側は表示ランプ
22に接続されている。

圧電型加速度センサ５のケース１は車体に固定されてお
り、センサ５の振動子２はケース１、車体を介してアー
スされている。

次に、このように本実施例における圧電型加速度センサ
５が組み込まれたエアバッグ装置の作動制御回路の作用
を説明する。

自動車が走行を始めると、車両に加速度が発生する。車
両に加速度が生じると、その加速度に比例してセンサ５
の振動子２はケース１に対して相対的に変位する。その
ような振動子２の相対変位によって圧電素子３にその相
対変位に比例した歪みが生じ、圧電素子３はその歪み量
に比例した大きさの電圧を発生する。その電圧は第１、
第３電極4a,4cから出力される。すなわち、第１、第３
電極4a,4cはセンサ５の出力端子を構成している。その
場合、第１、第３電極4a,4cは互いに対向して配置され
ているので、それらの出力は平均化されたものとなる。
したがって、それら電極4a,4cから出力された電圧信号
は精度のより高いものとなる。

こうして、圧電型加速度センサ５によって、車両に生じ
た加速度が検出される。

第１、第３電極4a,4cからの出力信号は第１、第２出力
線6,7を通して増幅器８の非反転入力端子に入力されて
増幅される。増幅された出力信号は第１、第２計算回路
9,14に入力される。

車両の加速度が所定値より小さいときには、増幅器８の
出力も小さいので、両計算回路9,14は出力信号を何ら発
することがない。したがって、エアバッグ装置は作動し
ない。

自動車が衝突等によって所定値を超える大きな減速度と
なったとき、センサ５の出力信号も極めて大きくなる。
したがって、両計算回路9,14は演算を行い、出力信号を
発する。その出力信号によって、各駆動回路10,15が作
動し、第１、第２トランジスタ12,13を導通させる。す
なわち、第１、第２スイッチが閉じる。

一方、そのような大きな減速度が車両に生じると、機械
的な加速度センサも作動するので、第３スイッチ16も閉
じる。したがって、インフレータ11の通電回路が閉成さ
れる。その結果、インフレータ11が作動して火薬を爆発
させ、エアバッグ（図示せず）を膨らませる。それによ
って、乗員は座席に保持される。その場合、第１計算回
路９、第１駆動回路10、及び第１トランジスタ12からな
る回路と、第２計算回路14、第２駆動回路15、及び第２
トランジスタ13からなる回路とが並列に設けられている
ので、どちらか一方の回路が故障したとしても、エアバ
ッグ装置は作動する。すなわち、圧電型加速度センサ５
からの信号伝達回路は冗長系を構成している。

また、車両の減速度が大きくないのに、何らかの原因で
第１、第２スイッチと第３スイッチ16とのいずれか一方
が閉成したとしても、インフレータ11の通電回路は閉成
されない。したがって、インフレータ11は作動せず、エ
アバッグ装置の誤作動が防止される。

一方、圧電型加速度センサ５が正常に作動するかどうか
を診断するに当たっては、パルス発生回路20から、診断
パルス信号を出力させる。そのパルス信号は、センサの
第２、第４電極4b,4dに入力される。すなわち、第２、
第４電極4b,4dは診断パルス信号の入力端子となってい
る。センサ５が正常に作動する場合には、そのようなパ
ルス信号による電圧を受けると、圧電素子３は歪みを生
じる。すなわち、圧電素子３は機械的に力が加えられた
場合と同等の状態となる。したがって、圧電素子３はそ
の歪みに比例した圧電を発生する。発生した電圧は第
１、第３電極4a,4cから出力され、その出力信号は増幅
器８で増幅されて診断回路21に入力される。また、診断
回路21にはパルス発生回路20からの診断パルス信号も入
力されているので、診断回路21は、その診断信号に対し
てセンサ５からの出力信号が設定されたものとなってい
るかどうかを判断する。出力信号が設定通りの信号とな
っていると判断するとセンサ５が正常であると判定し、
診断回路21は表示ランプ22を点灯させる。したがって、
圧電型加速度センサ５が正常に作動することが確認され
る。

また、センサ５が故障等の異常な状態にある場合には、
パルス発生回路20からの診断信号による電圧を受けて
も、電圧素子３は歪みを全く生じないか、あるいは生じ
ても診断信号の電圧の大きさに比例しない歪みとなる。
そして、歪みによって発生する電圧の大きさも、診断信
号の電圧の大きさに比例しないもとなる。したがって、
センサ５からは全く信号が出力されないか、あるいは出
力されても診断信号に対応した設定信号とはなっていな
い不良信号が出力される。診断回路21は、信号が入力さ
れないか、そのような不良信号が入力されるかした場合
には、センサ５が異常であると判断し、表示ランプ22を
点灯させない。それによって、圧電型加速度センサ５が
異常であることが認識される。こうして、第２、第４電
極4b,4d、パルス発生回路20、診断回路21、及び表示ラ
ンプ22によって、センサ５の自己診断回路が構成されて
いる。

ところで、センサ５の診断時におけるセンサ５の出力信
号がエアバッグ作動制御回路にも入力されて、その信号
によってインフレータ11が誤作動することが考えられ
る。そこで、そのような誤作動を回避するために、診断
時のセンサ５の出力信号が計算回路9,14に入力されて
も、計算回路9,14がその信号により出力信号を駆動回路
10,15に発することがないようにする必要がある。その
場合、計算回路9,14は所定の大きさの信号、すなわち車
両の衝突等による極めて大きな信号が入力されたときに
のみ、駆動回路10,15に出力するようにされているの
で、診断時におけるセンサ５の出力信号が比較的小さい
ものとなるようにしておけば、駆動回路10,15が作動す
ることはない。したがって、パルス発生回路20が比較的
電圧の小さな診断パルスを発信するように設計しておけ
ばよい。

第４図は本発明による圧電型加速度センサの他の実施例
を示す、第２図と同様の平面図である。

なお、上述の実施例と対応する部分には同一の符号を付
すことにより、その説明を省略する。

第４図から明らかなように、第１電極4aと第３電極4cと
は、一対の第１連結部23,23によって互いに電気的に連
結されている。また、同様に第２電極4bと第４電極4dと
は、一対の第２連結部24,24によって互いに電気的に連
結されている。

このように構成することにより、そのセンサ５を例えば
第３図に示されているエアバッグ装置の作動制御回路に
組み込んだ場合を考えると、第１及び第３電極4a,4cに
接続される出力線6,7のいずれか一方が断線しても、他
方の出力線7,6から出力を確実に得ることができる。そ
の場合、第１、第３電極4a,4cに生じた電圧がともに出
力されるので、センサ５の機能が低下するようなことは
ない。すなわち、この実施例の圧電型センサ５において
は、第１、第３電極4a,4cを連結するとともに、それら
各電極4a,4cにそれぞれ出力線6,7を接続することによ
り、冗長系が形成される。同様に、第２、第４電極4b,4
dにそれぞれ接続される入力線18,19のいずれか一方が断
線しても、他方の入力線19,18から第２、第４電極4b,4d
に診断パルス信号を確実に入力することができるので、
センサ５の機能が低下することはない。すなわち、この
場合にも、冗長系が形成されている。

このように、圧電型加速度センサ５は、加速度を検出す
るセンサ機能に加えて、センサ自体の正常又は異常を診
断する自己診断機能をも有するものとなっている。

したがって、センサを診断する場合、センサ５を車両に
設置した状態で診断パルス信号をセンサ５に与えること
により、センサ５の状態を確実に把握することができ
る。その場合、パルス発生回路20、診断回路21、及び表
示ランプ22をエアバッグ装置の作動制御回路に組み込む
ことが必要となるが、それらを組み込むことは極めて簡
単であり、しかも特に組み込むためのスペースを必要と
しない。したがって、センサ５を振動させる加振装置が
不要となるとともに、センサ５を車両からわざわざ取り
外す必要もなくなるので、センサ５の診断を簡単に常時
行うことができるようになる。それによって、センサ５
を常時正常状態に維持することが可能となる。

なお、上述の実施例においては、電極４を４分割するよ
うにしているが、本発明はこれに限定されるものではな
く、分割数は適宜設定することができる。例えば電極４
を２分割にすることもできる。その場合には、電極４の
一方を加速度信号出力用として、また他方を診断パルス
信号入力用として使用すればよいが、入出力線がそれぞ
れ１本ずつとなるので冗長系は形成されない。したがっ
て、冗長系を形成するために、電極４を４分割以上に分
割することが望ましい。

また、上述の実施例では、圧電型加速度センサ５をエア
バッグ装置の作動制御回路に用いるものとしているが、
センサ５を、加速信号を必要とする自動車の他の制御回
路にはもちろん、一般の加速度計測にも用いることがで
きる。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明によれば、圧電
型加速度センサの圧電素子に設けられる電極を複数個に
分割し、分割した電極の一部を加速度検出信号を出力す
る出力端子とし、残りを診断電圧信号が入力される入力
端子とするようにしているので、センサは運動体の加速
度を検出するセンサ機能とセンサ自体の状態を診断する
診断機能とを併せ有するものとなる。すなわち、圧電素
子によって発生された運動体の加速度に比例した電圧を
出力端子から出力させることにより、運動体の加速度を
確実に検出することができる。また、センサの入力端子
に電気的な診断信号を供給することにより圧電素子に歪
みを発生させて、その歪みによって圧電素子が発生した
電圧を出力端子から出力させ、その出力が診断信号に対
応するものであるかどうかを単に検討するだけで、セン
サの異常状態を確実に検知することができる。したがっ
て、センサを車両からわざわざ取り外さなくてもよいこ
とにより、手間がかからず、簡単に、かつ短時間でいつ
でもセンサを診断することが可能となる。しかも、セン
サを振動させる加振装置等の特別な付帯設備が不要とな
るので、その設備費が不要となって極めて経済的にな
る。

また、圧電型加速度センサ及びその自己診断回路を、エ
アバッグ装置のように車両加速度によって制御される装
置の作動制御回路に何らスペースを必要とせずに容易に
組み込むことができるという効果も得られる。

【図面の簡単な説明】 第１図は、本発明による圧電型加速度センサの一実施例
を示す縦断面図、 第２図は、その圧電型加速度センサを第１図の矢印Ａ方
向から見た平面図、 第３図は、その圧電型加速度センサ及びその自己診断回
路を、自動車におけるエアバッグ装置の作動制御回路に
組み込んだ状態を示す回路図、 第４図は、本発明による圧電型加速度センサの他の実施
例を示す、第２図と同様の平面図である。 １…ケース、２…振動子 ３…圧電素子、４…電極 4a…第１電極（出力端子） 4b…第２電極（入力端子） 4c…第３電極（出力端子） 4d…第４電極（入力端子） ５…圧電型加速度センサ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】運動体に固定されるケースに相対変位可能
   に取り付けられた平板状の振動子と、その振動子に一方
   の面が接合された圧電素子と、その圧電素子の他方の面
   に取り付けられた電極とを備え、前記運動体に加速度が
   生じたとき前記振動子が前記ケースに対して相対変位し
   て前記圧電素子が歪むことにより、その加速度に比例し
   た電圧を発生する、圧電型加速度センサにおいて； 前記電極が複数個に分割して形成されており、分割され
   た電極の一部は前記加速度に比例した電圧信号を出力す
   る出力端子とされ、前記電極の他部は診断電圧信号が入
   力される入力端子とされている、 圧電型加速度センサ。