(57)【要約】【課題】  検出信号の相殺を完全に防止することができ、これによって十分な感度をもって加速度を検出することができる高い信頼性を備えた加速度センサ１を提供する。【解決手段】  中心の下面に重錘２０が固定されたダイヤフラム１０の縁部の両面に、弾性を有する検出板３１に圧電素子３５が接合された検出部３０を、検出板３１をダイヤフラム１０に単に重ねる状態で積層させ、この状態をハウジング４０によって保持する。検出板３１の中心側に、複数の検出片３３を放射状に形成し、ダイヤフラム１０の突出する方向への歪みを検出片３３で受け、この検出片３３の歪みを圧電素子３５で検出する。圧電素子３５には圧縮歪みしか発生せず、同一極性の電荷を相殺が起こることなく発生させることができる。【選択図】      図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイヤフラムと、
このダイヤフラムに設けられる重錘と、
この重錘の変動によって生じる前記ダイヤフラムの歪みによって自身に歪みが生じることにより検出信号を出力する検出部と
を備えることを特徴とする加速度センサ。
【請求項２】
前記検出部は、前記ダイヤフラムの両面側に、該ダイヤフラムと予め接触するか、あるいは離間した状態でそれぞれ配されることを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
【請求項３】
前記検出部は、前記ダイヤフラムの歪みを受けて弾性変形する弾性体と、この弾性体に接合され、該弾性体の変形を検出する圧電素子とを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子等を利用して加速度を検出する加速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
加速度センサは、自動車等の機械産業や、家電品、日用品等、あらゆる分野で広く用いられており、例えば、自動車に装備されるエアバッグの衝撃センサや洗濯機の振動センサ、あるいは防犯センサや歩数計等に利用されている。この種の加速度センサは、検出方向の違いにより、１方向（Ｘ軸方向）あるいは３方向（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の各方向）等の一定の方向を検出する加速度センサと、あらゆる方向への加速度を検出して方向の関係無しに加速度のみを検出する無方向性の加速度センサに分けられる。また、検出方式としては、静電容量型や圧電型等が採用されているが、軽量かつ低コストで製造可能である観点から、圧電型が多い。例えば下記特許文献１には、圧電型の無方向性加速度センサ（衝撃センサ）が記載されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平９−２６４３０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
圧電型加速度センサは、例えば、水平なダイヤフラムの下面に重錘を固定し、上下面のうちの少なくとも一方の面に圧電素子を接合した基板を備えており、加速度を受けることによって慣性力が生じた重錘がダイヤフラムに歪み（変形）を生じさせ、これによって圧電素子の電極に発生した電荷に基づく加速度を検出する。ところで、水平方向（ダイヤフラムの面方向に沿ったＸ軸方向あるいはＹ軸方向）の加速度検出用の電極は、重錘を中心として、対称位置あるいは対称形状に設け、かつ、分極方向を逆にした構成が一般的である。
【０００５】
ここで、１方向の加速度を検出するための電極の分極方向を重錘の両側で互いに逆にすることにより、それら電極から発生する電荷が相殺されることを防止しているが、加速度の方向によっては、電荷が相殺されてしまい、正しい加速度が検出されない場合がある。そこで、上記文献の衝撃センサでは、電極の面積を非対称的に異ならせることにより、電極に生じる電荷が完全に相殺されないようにしている。しかしながら、この方式でも発生する電荷の相殺を完全に防止するには至らず、相殺されなかった電荷が出力されるようにしていることから、相殺が起こった際の感度が劣り、このため信頼性に欠けるものであった。
【０００６】
よって本発明は、検出信号の相殺を完全に防止することができ、これによって十分な感度をもって加速度を検出することができる高い信頼性を備えた加速度センサを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、ダイヤフラムと、このダイヤフラムに設けられる重錘と、この重錘の変動によって生じるダイヤフラムの歪みによって自身に歪みが生じることにより検出信号を出力する検出部とを備えることを特徴としている。
【０００８】
本発明の加速度センサによれば、加速度を受けると、慣性力が生じた重錘が加速度の方向にしたがって揺動あるいは移動し、このように重錘が変動すると、ダイヤフラムに歪み（変形）が生じ、その歪み部分が検出部に接触して検出部に歪みが生じる。そして、検出部から、歪み箇所と歪みの度合いに応じた検出信号が、加速度を示す信号として出力される。ここで、検出部はダイヤフラムが接触する部分しか歪みが発生せず、したがって、検出部による検出信号は、常に一定の変形形態、すなわち圧縮か伸長のいずれか一方の挙動によってのみ出力される。このため、出力される検出信号に相殺は起こらず、加速度の方向にかかわらず常に確実な加速度信号を得ることができる。
【０００９】
本発明における検出部は、少なくともダイヤフラムの片面側に配されている形態が採用され、その検出部は、ダイヤフラムと予め接触するか、あるいは離間した状態で組み込まれるが、ダイヤフラムの両面側にそれぞれ配される形態も含まれる。また、検出部の具体的構成としては、ダイヤフラムの歪みを受けて弾性変形する弾性体と、この弾性体に接合され、該弾性体の変形を検出する圧電素子とを備えたものが挙げられる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の加速度センサによれば、ダイヤフラムの歪みを受けることにより一定の変形形態のみを示す検出部をダイヤフラムとは別に設け、この検出部の歪みに基づく検出信号を加速度として出力するので、検出信号の相殺を完全に防止することができ、これによって十分な感度をもって加速度を検出することができ、高い信頼性を有するといった効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
図１は一実施形態に係る圧電型の無方向性加速度センサ１の概略を示す縦断面図、図２はその下面図である。この加速度センサ１は、水平に配されるダイヤフラム１０と、このダイヤフラム１０の下面中央に設けられた重錘２０と、ダイヤフラム１０を挟んで設けられる上下の検出部３０と、ダイヤフラム１０および上下の検出部３０を支持するハウジング４０とから構成されている。図３〜図５は、ハウジング４０を外した状態の図である。
【００１２】
これら図に示すように、ダイヤフラム１０は、ステンレス等の金属製薄板によって正方形状に形成されたものである。重錘２０は円柱状で、所定の重量を有し、軸方向をダイヤフラム１０の面に直交させ、軸心をダイヤフラム１０の中心に一致する状態とされている。重錘２０は、ダイヤフラム１０と同様の材質を選ぶことができ、ダイヤフラム１０に溶着、接着等の手段によって接合されるか、あるいはダイヤフラム１０と一体的に成形される。
【００１３】
上下の検出部３０は同一構成であって、弾性を有する薄板からなる検出板（弾性体）３１と、この検出板３１に積層されて接着等の手段により接合されたセラミックス製の圧電素子３５とから構成されている。検出板３１および圧電素子３５は、外形がダイヤフラム１０と同形状・同寸法の正方形状で、外形を一致させてダイヤフラム１０の両面に、検出板３１、圧電素子３５の順に積層される。検出板３１は、例えばダイヤフラム１０と同様の金属製の薄板であり、その中央には重錘２０の外径よりもやや大きな内径の孔３１ａが形成されており、さらに、この孔３１ａを中心として複数のスリット３２が放射状に形成されることにより、これらスリット３２間に検出片３３が形成されている。これら検出片３３は、検出板３１の中心方向である先端方向に向かうにしたがって徐々に幅狭になる細長い台形状に形成され、周方向に等間隔をおいて配列されている。
【００１４】
圧電素子３５は、薄板状であって、その中央に孔３５ａが形成されており、表面（検出板３１への接合面とは反対側の外面）に、圧電素子３５の中心と同心的な環状の検出電極３６が形成されている。図５に示すように、孔３５ａは、複数のスリット３２の最深部よりも内側に形成されており、検出電極３６は、孔３５ａと同心的に形成され、その幅は、各検出片３３の根元部分（隣り合うスリット３２の最深部の間に当たる部分）に対応する箇所を覆う寸法に設定されている。また、この検出電極３６は＋極または−極に分極され、上下の検出部３０の各検出電極３６は同一極性に設定されている。
【００１５】
図５に示すように、圧電素子３５の表面には、正方形状の端子３７が１つの隅部に形成され、さらに、この端子３７と検出電極３６とを連絡する配線電極３８が形成されている。検出部３０によれば、検出板３１の検出片３３に歪みが生じると、圧電素子３５の検出電極３６に電荷が発生し、その電荷は、端子３７に接続されている増幅回路で増幅され、増幅された電荷は加速度信号出力器に供給されて処理され、この加速度信号出力器から加速度信号が出力される（増幅回路および加速度信号出力器は図示略）。出力される加速度信号は、検出電極３６の歪みに応じたものであって方向性は示さず、圧電素子３５によって検出されるＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向のあらゆる方向に生じる加速度を表す。
【００１６】
検出部３０は、ダイヤフラム１０に上下の検出板３１が単に重ねられることにより、このダイヤフラム１０の両面に積層され、この積層体は、重錘２０を下方に配した状態でハウジング４０に保持され、これによって本実施形態の加速度センサ１が構成される。この加速度センサ１は、ハウジング４０が所定の機器に固定されて使用される。ハウジング４０は、図１および図２に示すように、外形が直方体状で、中央に円筒状の透孔４１が形成されたもので、この透孔４１の内径は、圧電素子３５の孔３５ａよりもやや大きく設定されている。
【００１７】
ダイヤフラム１０の両面に検出部３０が積層されてなる積層体は、ハウジング４０の内周面の上部に形成された溝４２に嵌合される。この嵌合状態で、検出電極３６はハウジング４０の内周面に近接し、その内周面との間に僅かな間隔が形成される。なお、積層体を溝４２に嵌合させるには、ハウジング４０を縦割りして半分に分割できるものとして、一方の半割り体の溝に積層体を嵌合してから、他方の半割り体の溝に積層体を嵌合させるなどの方法が挙げられる。
【００１８】
以上が加速度センサ１の構成であり、この加速度センサ１によれば、加速度を受けると、その加速度の方向にしたがって、慣性力が生じた重錘２０が揺動あるいは移動し、このように重錘２０が変動すると、ダイヤフラム１０に歪み（変形）が生じ、その歪み部分の突出側が検出部３０の検出片３３を弾性変形させる。このようにして検出片３３に歪みが生じると、その歪みに応じた電荷が圧電素子３５の検出電極３６に発生し、その電荷は上記増幅回路から加速度信号検出器に供給され、この加速度信号検出器から、発生した電荷に基づく加速度信号が出力される。以下に、水平方向（Ｘ軸方向およびＹ軸方向）と鉛直方向（Ｚ軸方向）の加速度検出の作用を説明する。
【００１９】
加速度センサ１が、ダイヤフラム１０の面方向に沿った水平方向を含む方向に加速度を受けた場合、重錘２０は水平方向の加速度にしたがって揺動する。図６はＸ方向の加速度を受けたときの状態を示しており、このとき、ダイヤフラム１０は重錘２０の揺動に追従して歪むが、その歪みの突出側に存在する検出片３３が、ダイヤフラム１０の歪み部分に押されて弾性変形する。
【００２０】
図６では、Ｘ方向側では重錘２０の上端面が下がるので、下側の検出部３０の検出片３３がダイヤフラム１０に押されて下方に弾性変形し、上側の検出部３０の検出片３３からダイヤフラム１０は離間し、この上側の検出片３３には歪みが生じない。また、−Ｘ方向側では重錘２０の上端面が上がるので、上側の検出部３０の検出片３３がダイヤフラム１０に押されて上方に弾性変形し、下側の検出部３０の検出片３３からダイヤフラム１０は離間し、この下側の検出片３３には歪みが生じない。検出片３３に発生した歪みは圧電素子３５の電極に歪みを生じさせ、電極には歪みに応じた電荷が発生し、その電荷は増幅回路から加速度信号検出器に供給され、この加速度信号検出器から、発生した電荷に基づく加速度信号が出力される。
【００２１】
加速度センサ１が−Ｘ方向の加速度を受けた場合には、図６と逆方向に重錘２０が揺動し、これに追従した作用が上記と同様に示される。また、Ｘ軸方向に直交する水平方向のＹ軸方向でも同様の作用を示す。
【００２２】
次に、図７に示すように、加速度センサ１がＺ方向（鉛直上方）に加速度を受けると、重錘２０は慣性力にしたがって相対的に真っ直ぐ下方に移動し、これに伴ってダイヤフラム１０は下方に突出し、重錘２０の周囲の全ての検出片３３がダイヤフラム１０に押されて下方に弾性変形し、一方、上側の検出部３０の検出片３３からダイヤフラム１０は離間し、この上側の検出片３３には歪みが生じない。下側の検出片３３に発生した歪みに応じた電荷が、下側の圧電素子３５の検出電極３６に発生し、これによってＺ方向の加速度が検出される。また、加速度センサ１が静止状態から−Ｚ方向に加速度を受けた場合、重錘２０は相対的に上方に移動し、ダイヤフラム１０は上方に歪んで上側の全ての検出片３３が弾性変形するとともに下側の検出片３３から離間する。これによって上側の圧電素子３５の検出電極３６に歪みが生じて電荷が発生し、加速度信号が出力される。
【００２３】
上記のように、検出片３３は、ダイヤフラム１０の突出部分のみを受けて反るように変形し、反突出側の検出片３３には、ダイヤフラム１０が離間することにより歪みは全く生じない。このような検出片３３の歪みは、圧電素子３５の表面側が圧縮される方向に歪みが生じるので、検出電極３６には常に同一極性の電荷が発生し、このため、電荷の相殺は起こらない。その結果、発生する電荷を１本の信号線に合成して加速度の大きさを検出することができ、これに伴って、電荷の増幅回路は１つで足り、各軸ごとに増幅回路を設ける必要がないことから回路構成を簡略化することができる。
【００２４】
次に、図８および図９を参照して、上記一実施形態を基本構成として圧電素子の検出電極を変更させた２つの変更例を説明する。
図８に示す圧電素子３５の表面には、複数の検出片３３の根元部分に対応する箇所の全てに台形状の検出電極３６をそれぞれ形成し、これら検出電極３６を、各検出電極３６の外周側に形成した環状の合成電極３９で接続し、この合成電極３９を、配線電極３８を介して端子３７に接続させている。この変形例によれば、各検出片３３の歪みが、検出片３３ごとに配された検出電極３６からの電荷の発生で検出されるため、効率のよい検出が可能となり、検出感度の向上を図ることができる。なお、この場合、各電極の極性は同一となるように分極される。また、ダイヤフラム１０の両面側に検出部３０が配される場合には、これら検出部３０の圧電素子３５の電極形態およびその極性は、互いに同一に構成される。
【００２５】
図９に示す圧電素子３５の表面には、Ｘ軸方向検出電極３６ｘと、Ｙ軸方向検出電極３６ｙとが、それぞれ１８０°離れた一対の状態で形成され、さらに、これら検出電極３６ｘ，３６ｙの間に、計４つのＺ軸方向検出電極３６ｚが形成されている。各一対のＸ軸方向検出電極３６ｘおよびＹ軸方向検出電極３６ｙにおいては、一方の電極と他方の電極の極性を互いに異なるように分極されている。例えば、図９において左右一対のＸ軸方向検出電極３６ｘのうち、左側は−極、右側は＋極に分極される。また、図９において上下一対のＹ軸方向検出電極３６ｙのうち、下側は−極、上側は＋極に分極される。一方、各Ｚ軸方向検出電極３６ｚは、全てが同一の極性（例えば＋極）に設定される。
【００２６】
なお、ダイヤフラム１０の両面側に検出部３０が配される場合には、これら検出部３０の圧電素子３５の電極形態は互いに同一に形成され、その極性は、ダイヤフラム１０を挟んで対向する電極どうしの極性が逆極性となるように分極される。例えば、図９において左右一対のＸ軸方向検出電極３６ｘを、一方の面は左側を−極、右側を＋極とすると、他方の面は左側を＋極、右側を−極となるように分極される。また、一方の面のＺ軸方向検出電極３６ｚが＋極であったならば、他方の面は−極に設定される。
【００２７】
Ｘ軸方向検出電極３６ｘおよびＹ軸方向検出電極３６ｙは、この場合、隣り合う３つの検出片３３の根元部分に沿った弧状に形成され、Ｚ軸方向検出電極３６ｚは、１つの検出片３３の根元部分に対応する箇所に形成されている。そして、これら各方向別にそれぞれ複数設けられた検出電極３６ｘ，３６ｙ，３６ｚは、それぞれが合成電極３９ｘ，３９ｙ，３９ｚによって互いに接続され、これら合成電極３９ｘ，３９ｙ，３９ｚが、それぞれＸ軸方向端子３７ｘ、Ｙ軸方向端子３７ｙ、Ｚ軸方向端子３７ｚに配線電極３８ｘ，３８ｙ，３８ｚを介して接続されている。各端子３７ｘ，３７ｙ，３７ｚには、増幅回路および加速度信号出力器が個別に接続され、Ｘ，Ｙ，Ｚの各軸方向の加速度が検出される。
【００２８】
なお、Ｘ軸方向あるいはＹ軸方向に加速度が生じた場合には、Ｚ軸方向に加速度が生じていないにもかかわらず、Ｚ軸方向検出電極３６ｚに電荷が発生してしまうが、ダイヤフラム１０の両面側に検出部３０が配される場合には、一方の面の圧電素子３５に形成された検出電極３６ｚと他方の圧電素子３５に形成された検出電極３６ｚの極性が逆極性となっているため、この検出電極３６ｚから発生する不要な電荷はキャンセルされる。また、増幅回路に入力される前に回路上でＸ，Ｙ，Ｚの出力を１本の信号線に合成しても相殺は起こらないので、上述したような方向性の検出を必要とせず、加速度の大きさのみを検出するような場合にも、このような検出電極の加速度センサを使用することができる。よって使用者の利便性が向上する加速度センサを提供することができる。
【００２９】
上記実施形態では、検出板３１に形成した放射状の検出片３３がダイヤフラム１０の歪みを受けて弾性変形し、この検出片３３の弾性変形が圧電素子３５に伝わる構成としており、これによってダイヤフラム１０の歪みが圧電素子３５に伝わりやすく、結果として感度の向上が図られている。しかしながら、衝撃度の大きな加速度を検出する場合などには、検出片３３を形成せず、単に孔３１ａの空いた検出板３１を、ダイヤフラム１０の歪みを受ける部材として用いてもよい。さらに、この検出板３１を省略し、圧電素子３５のみ単にダイヤフラム１０に重ね、これを検出部３０として用いることができる。
【００３０】
また、検出部３０をダイヤフラム１０に重ねて予め密接させているが、上記と同様に衝撃度の大きな加速度を検出する場合や、検出の必要のない微少な加速度をキャンセルすることを目的として、スペーサ等を用いて両者の間に微少な隙間を空けた構成とすることもできる。また、検出部３０はダイヤフラム１０の両面に配しているが、片面のみに配してもよい。
【００３１】
さらに、検出部３０の圧電素子３５に代えて、金属製薄板を、検出板３１に対し所定の距離をもって対向させて配置することにより、各板間の静電容量変化で加速度検出を行う無指向性の静電容量型加速度センサを構成することができる。検出部３０は、このように検出板３１の歪みを物理的に検出することができるようなものであれば、いかなる手段であってもかまわない。例えば、ピエゾ抵抗素子を適用して抵抗値の変化により検出板３１に生じる歪みを検出する構成であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態に係る加速度センサの縦断面図である。
【図２】一実施形態に係る加速度センサの下面図である。
【図３】一実施形態に係る加速度センサの主要部の（ａ）上方斜視図、（ｂ）下方斜視図である。
【図４】同主要部の側面図である。
【図５】同主要部の平面図である。
【図６】水平方向の加速度を受けた場合の加速度センサの作用を示す縦断面図である。
【図７】鉛直方向の加速度を受けた場合の加速度センサの作用を示す縦断面図である。
【図８】圧電素子の検出電極を変更した変更例を示す主要部の平面図である。
【図９】圧電素子の検出電極を変更した他の変更例を示す主要部の平面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１…加速度センサ
１０…ダイヤフラム
２０…重錘
３０…検出部
３１…検出板（弾性体）
３５…圧電素子
【図１】
2005164530.tif 000003
【図２】
2005164530.tif 000004
【図３】
2005164530.tif 000005
【図４】
2005164530.tif 000006
【図５】
2005164530.tif 000007
【図６】
2005164530.tif 000008
【図７】
2005164530.tif 000009
【図８】
2005164530.tif 000010
【図９】
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