(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
本体と、前記本体の略中央部に設けられた支持部に固定された振動板と、前記振動板の片面または両面に固定されたドーナツ形状の圧電素子と、前記圧電素子の表裏面に設けられた一対の電極と、前記振動板および圧電素子を収納して本体を閉塞するように前記本体に取付けられた閉塞部材と、前記閉塞部材に設けられ、前記一対の電極からの出力を取り出す取り出し手段とを備えた加速度センサであって、
前記取り出し手段は、前記電極の一方に接続される複数の接続部材を有し、前記接続部材は、前記振動板の素材圧延時のロール目方向に合わせて前記圧電素子の内周部近傍に略対向して２箇所の位置に前記電極に接続固定され、
前記接続部材を通して前記閉塞部材に設けられたコネクタから出力を取り出し、
前記ロール目方向に対する前記接続部材の接続角度は、±１５°の範囲に設定されることを特徴とする加速度センサ。
【請求項２】
前記振動板に、前記振動板の素材圧延時のロール目方向を認識する認識マークが設けられたことを特徴とする請求項１記載の加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は振動を電気信号に変換する加速度センサに関し、特に自動車等に搭載され、ノッキング制御・エアバッグ制御等を行うことができる加速度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、加速度センサとして実用化されているものは電磁型・圧電型・半導体型・コンデンサ型等種々の方式があり、また、特性方式としては、所望周波数範囲にて感度の共振周波数ｆ0点を利用する共振型と平坦特性部を利用する非共振（フラット）型とがある。
【０００３】
この中で、圧電・共振型の加速度センサを例に図８、図９に基づいて説明する。
【０００４】
図８は従来の加速度センサを示す図であり、図８において、有底筒状の金属ケース１の下部には測定物（エンジン等）に固定のためのネジ部１ａが形成されている。
【０００５】
この金属ケース１の底面の略中央部には支持部１ｂが形成されており、この支持部１ｂには金属等からなる振動板２が溶接等によって固定されている。この振動板２の上面にはドーナツ形状の圧電素子３が接着等によって固定されており、この圧電素子３の両面には電極４ａ、４ｂが取付けられている。なお、金属ケース１は溶接等により振動板２と電気的に接続されるため、一般的には後段電気回路のアースとなるように構成されている。
【０００６】
また、圧電素子３の電極４ａにはリード線５（またはワイヤボンデング）によって金属等からなるコネクタ本体６の出力端子７が接続されており、リード線５は半田８ａ、８ｂによって出力端子７と電極４ａに固定されている。
【０００７】
また、コネクタ本体６は金属ケース１の上端開口部にカシメ１ｃにより連結固定されており、この連結部分には０リング９が介装されることにより、防水処理が施されている。
【０００８】
また、一方の電極４ｂは振動板２および金属ケース１に電気的に接続されている。したがって、この従来例にあっては、出力端子としては金属ケース１およびコネクタ本体６からなる筐体をアースと兼用する一端子タイプである。なお、一端子タイプ以外に二本の出力端子を用いる二端子タイプ等もある。
【０００９】
このような構成を有する加速度センサにあっては、加速度センサに加わる振動（加速度）により、振動板３および圧電素子２からなる振動部が振動し、圧電素子３に応力歪みを与えるので電荷〔Ｑ〕が発生し、圧電素子３の容量〔Ｃ〕とにより、〔Ｖ〕＝Ｑ／Ｃより発生電圧として出力端子７から取り出すことができるようになっている。
【００１０】
一般的に、振動板３は共振し易さ等から薄い円盤形状のものが多く用いられる。振動振幅としては振動板３の外周端付近が最大となるが、圧電素子３への応力歪みとしては伸びまたは縮みであり、内周部の支点付近が最大値を示すと考えられる。
【００１１】
図９は振動板３・圧電素子２の斜視図を示し、図８と同一部分は同一番号で示している。
【００１２】
図10はこの加速度センサの振動（一定加速度）に対する周波数特性例であり、同図に示すように、共振点ｆ0付近は高いＱ0を有するが中・低域は平坦な感度Ｖ0となる特性を示す。使用目的により、平坦部またはｆ0近傍の振動出力を使用するのが一般的である。
【００１３】
また、共振点を使用する共振型の場合は、前記共振周波数ｆ0での高いＱ0を用い、ｆ0を所望の値とし対応する。
【００１４】
共振周波数ｆ0は中心固定の円形振動板の場合には一般的に下記に示すものである。
【００１５】
ｆ0＝α・ｔ／Ｒ2・｛Ｅ／ρ（１−σ2）｝1/2
α：０．１７２    ｔ：板厚    Ｒ：半径
Ｅ：ヤング率      ρ：密度    σ：ポアソン比
【００１６】
例えば、上記に於いて、振動板の材料としてＮｉ鋼を用いた場合には、
ｔ＝０．４（ｍｍ）、Ｒ＝７（ｍｍ）、
Ｅ＝２×１０11 （Ｎ／ｍ2 ）、ρ＝７．８×１０3 （ｋｇ／ｍ3  ）、
σ＝０．２８
とすると  ｆo＝７．４１（ｋＨｚ）となる。
【００１７】
但し、実際の振動板のｆ0は圧電素子の分が付加され平均化するために多少値が違ってくる。また、主体は振動板で決定されるが、僅かながら筐体（ケース）等の影響も受けるので、実際の共振周波数ｆ0は全体的な平均で決定されることになる。
【００１８】
前記式から、所望の共振周波数ｆ0を得るために板厚ｔと半径Ｒを適度に選定し対応するのが一般的であり、特に半径Ｒの影響が大きいことが分かる。実験的に確認した結果では、同板厚の場合に於いて、円盤型の振動板外径を変化すると約１〜２％／０．１ｍｍ程度のｆ0が変化することが分かっている。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の加速度センサに於いては、下記に示すような問題がある。
【００２０】
共振周波数ｆ0近傍で特性異常（スプリアス不良）が発生し易く、不良率の増加を招いてしまうため、品質低下およびコストアップにつながってしまう。
【００２１】
図11は共振点付近のみをクローズアップした場合の特性例であり、（ａ）は正常な場合、（ｂ）は特性異常（スプリアス不良）がある場合である。
【００２２】
また、中心固定による共振型では一般的に図12に示すような振動モードが存在することがＦＥＭ解析により分かった。
【００２３】
図12において、（ａ）は１／２振動モード、（ｂ）は１／１振動モードであり、この振動モードを共振周波数ｆ0として使用する。（ｃ）は１／４振動モードである。
【００２４】
１／２振動モードはｆ0の約数分の一に、１／４振動モードはｆ0近傍に発生するのが一般的である。１／２振動モードと１／４振動モードは本来均等にその振動モードが現れていれば、圧電素子３には±の発生電圧が均等となり出力は零となるはずであるが、僅かな不均等性があると発生することになり、その位相の乱れにより出力レベルが変化することになる。
【００２５】
共振型の場合、前述したように１／４振動モードによる特性異常（スプリアス不良）が課題となるが、この発生原因としては振動板・圧電素子の寸法、支持部の不均一性、出力取り出し用リード線の影響等々が考えられる。
【００２６】
すなわち、図13に示すように、振動板３・圧電素子２を上面から見て直行するＸ軸・Ｙ軸を仮定した場合、各軸を幾何学的に見て相似形状とする（一方の軸を９０゜回転して同一）必要があることが分かった。
【００２７】
図13ではリード線５を圧電素子３の特性に影響の少ない内周部付近に直行して半田付けした場合の例である。
【００２８】
このようにＸ軸・Ｙ軸相似形に構成してもスプリアスのディップを押さえる方向に多少の改善は見られるが完全な改善は望めなかった。したがって、前記のような各種要因を排除すれば、特性異常（スプリアス不良）は発生しないはずであるが、どうしても大レベルものが数％〜１０％程度の不良が発生してしまうのが実態である。
【００２９】
本発明は、従来の問題を解決するためになされたもので、スプリアス不良の低減を簡単に行なうことができ、低価格で高い性能を有する優れた共振型の加速度センサを提供することを目的とする。
【００３０】
【課題を解決するための手投】
第１発明の加速度センサは、本体と、前記本体の略中央部に設けられた支持部に固定された振動板と、前記振動板の片面または両面に固定されたドーナツ形状の圧電素子と、前記圧電素子の表裏面に設けられた一対の電極と、前記振動板および圧電素子を収納して本体を閉塞するように前記本体に取付けられた閉塞部材と、前記閉塞部材に設けられ、前記一対の電極からの出力を取り出す取り出し手段とを備えた加速度センサであって、前記取り出し手段は、前記電極の一方に接続される複数の接続部材を有し、前記接続部材は、前記振動板の素材圧延時のロール目方向に合わせて前記圧電素子の内周部近傍に略対向して２箇所の位置に前記電極に接続固定され、前記接続部材を通して前記閉塞部材に設けられたコネクタから出力を取り出し、前記ロール目方向に対する前記接続部材の接続角度は、±１５°の範囲に設定される。
【００３１】
このような構成により、振動板および圧電素子の１／４振動モードによる特性異常（スプリアス不良）を低減することができ、組立が簡単で部品点数を少なくして低価格で高性能な共振型の加速度センサを得ることができる。
【００３２】
第２発明の加速度センサは、前記ロール目方向に対する前記接続部材の接続角度は、±15°の範囲に設定される。
【００３３】
このような構成により、特性異常（スプリアス不良）を低減することができる許容範囲を確保することができる。
【００３４】
第３発明の加速度センサは、前記振動板に、前記振動板の素材圧延時のロール目方向を認識する認識マークが設けられて構成される。
【００３５】
このような構成により、圧電素子が接着等により固定された後であっても、認識マークを目視することで振動板の素材圧延時のロール目方向を確認することができ、ロール目方向の認識ミス等が発生するのを確実に防止して接続部材を電極に取付けることができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態に基づいて説明する。
【００３７】
図１〜図６は本発明に係る加速度センサの第１実施形態を示す図であり、この加速度センサは、自動車に適用してノッキング制御・エアバッグ制御等を行うものに適用することができる。
【００３８】
まず、構成を説明する。図１、図２において、有底筒状の金属ケース（本体）21の下部には測定物（エンジン等）に固定のためのネジ部21ａが形成されている。
【００３９】
この金属ケース21の底面の略中央部には支持部21ｂが形成されており、この支持部21ｂには金属等からなる振動板22が接着等によって固定されている。この振動板22の上面にはドーナツ形状の圧電素子23が溶着等によって固定されており、この圧電素子23の両面には電極24ａ、24ｂが取付けられている。なお、金属ケース21は溶接等により振動板22と電気的に接続されるため、一般的には後段電気回路のアースとなるように構成されている。
【００４０】
また、圧電素子23の電極24ａには一対のリード線（接続部材）25ａ、25ｂを介して金属等からなるコネクタ本体（閉塞部材）26の出力端子27が接続されており、リード線25ａ、25ｂはそれぞれ半田28ａ、28ｂによって出力端子27と電極24ａに固定されている。なお、リード線の代りにワイヤボンデングを用いても良い。
【００４１】
また、コネクタ本体26は金属ケース21の上端開口部にカシメ21ｃにより連結固定されており、この連結部分には０リング29が介装されることにより、防水処理が施されている。
【００４２】
また、一方の電極24ｂは振動板22および金属ケース21に電気的に接続されている。
【００４３】
したがって、この従来例にあっては、出力端子としては金属ケース21およびコネクタ本体26からなる筐体をアースと兼用する一端子タイプである。なお、一端子タイプ以外に二本の出力端子を用いる二端子タイプ等もある。
【００４４】
また、本実施形態では、金属ケース21、振動板22、リード線25ａ、25ｂ、出力端子27およびコネクタ本体26は一対の電極24ａ、24ｂからの出力を取り出す取り出し手段を構成している。
【００４５】
本実施形態において従来例と相違する点は、図２に示すように圧電素子23の電極24ａからの出力取り出し用リード線25ａ、25ｂを振動板22の素材圧延時のロール目方向Ｘに略合わせて、圧電素子23の内周部近傍に略対向して２箇所の位置で半田28ａ、28ｂ等により接続固定している点である。
【００４６】
次に、この点を詳しく説明する。
【００４７】
従来例で示す図13のＸ軸・Ｙ軸相似形に構成しても多少の改善（ディップを押さえる方向）は見られるが完全な改善は望めなかった。この原因を追及するために実験により確認を行ったので次に述べる。
【００４８】
現状の実態として、略対向した２箇所の位置に半田28ｂ等によるリード線25ａ、25ｂを接続した場合、取付方向により発生の優劣が現れることが分かった。
【００４９】
この結果から次のようなことが推測される。
【００５０】
▲１▼振動板22の反り等と接続位置の関係があるのではないか。
【００５１】
▲２▼反りは薄い振動板の場合には、一般的に１／２振動モードを誘発し易いセンターラインを対象とする１／２の半反りが多い。
【００５２】
▲３▼従って、▲２▼の反り状態において、ランダム方向で略対向した位置２箇所に半田28ｂ等によるリード線25ａ、25ｂを接続したことにより、この負荷が１／４振動モードを誘発してしまうのではないか。
【００５３】
また、圧電素子23の反りの影響も考えられるが、振動板22よりも反りは小さく、かつ共振への影響度も振動板22よりも小さいので、対スプリアスに関しても小さいと考えられる。
【００５４】
したがって、主要因は振動板22の反りと考えられる。
【００５５】
図３は振動板22の圧延時のロール目方向Ｘを基準に、略対向した位置２箇所に半田28ｂａ等によるリード線25ａ、25ｂの接続を行う角度を変えて確認した実験結果であり、同図はロール目に対する角度とスプリアス発生率の関係を示している。
【００５６】
図４は図３において、スプリアスの小〜大の判定レベルを示す特性例である。
【００５７】
図３の平均値は全方向にランダムに付けた場合を推測して下記式により求めている参考値である。
【００５８】
平均値＝（０゜＋３０゜×２＋６０゜×２＋９０゜）／６
【００５９】
スプリアスの小〜大の影響レベルとしては、判断レベルの特性を見ても分かるように実質使用状態で弊害となるのは大レベルであり、この発生率を低減する必要がある。
【００６０】
同結果から次ののことが分かった。
（１）ロール目に対する角度でスプリアスの発生率に違いがあり、最小となるのは０゜方向である。また、最大となるのは９０゜方向である。
（２）０゜方向は他の方向と比較し、スプリアスの小〜大の全レベル的に減少している。
（３）また、前記方向はスプリアスレベル大では、ランダムに付けた場合の推測平均値に比較し、約０．５７ 倍とできる効果がある。
【００６１】
以上の結果から、略対向した位置２箇所に半田28ｂ等によるリード線25ａ、25ｂの接続を行う場合、最適な位置は振動板22の圧延時のロール目方向Ｘの位置（角度０゜）であることが確認できた。また、スプリアスの発生が大きくなる最悪の位置は角度±９０゜の直行位置と言える。
【００６２】
なお、実験結果から、図２においては、ロール目方向Ｘに対するリード線25ａ、25ｂの接続角度の許容範囲は約±１０〜±１５゜程度内であれば効果に大差ないと推測できる。
【００６３】
また、振動板22の反りに関して調査した結果、図５に示すようにロール目方向Ｘをセンターラインとする１／２の半反り32が確認できた。同図において、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図を示し、符号33はロール目を示す。
【００６４】
また、反りの小さい振動板22でも支持部21ｂに溶接等を行い固定すると、結果的に上述したようにロール目方向Ｘをセンターラインとする１／２の半反り32が発生し易いことも分かった。したがって、プレス加工によりフラット化のための平打ち処理加工等を施しても、溶接固定時の熱歪み等の印加で素材自体の反り癖が発生してしまうためと考えられる。
【００６５】
この反り33の原因を考察すると、その方向性から素材圧延時の内部歪みでは無く（圧延歪みはロール目と直行方向と考えられる）、図６に示すように、幅広素材からプレス用に適した幅のフープ材31を作成する時のスリッター加工歪みであると考えられる。
【００６６】
したがって、極力このスリッター歪み33を小さく加工する対策が考えられるが、材料歩留まりの関係等が大きく起因するためコストアップは免れないので最適な対策とは言えない。
【００６７】
したがって、上述したようにリード線25ａ、25ｂの接続を振動板22の圧延時のロール目方向Ｘの位置にほぼ合わせることにより、容易にスプリアス不良の大幅改善が可能であり最適な対策方法と言える。
【００６８】
このように本実施形態では、振動板22の素材圧延時のロール目方向Ｘに合わせて圧電素子23の内周部近傍に略対向する２箇所の位置でリード線25ａ、25ｂを電極24ａに接続固定し、リード線24ａを通してコネクタ26に設けられた出力端子27から出力を取り出すように構成したため、振動板22および圧電素子23の１／４振動モードによる特性異常（スプリアス不良）を低減することができ、組立が簡単で部品点数を少なくして低価格で高性能な共振型の加速度センサを得ることができる。
【００６９】
なお、本実施形態では、リード線25ａ、25ｂが２本必要なように見えるが、実際は一本のリード線を二つ折りにし、中央部付近をコネクタ26の出力端子27に半田付け25ａ、25ｂにより接続するので、部品材料的には大差あるわけではない。
【００７０】
また、本実施形態では、加速度センサの内部に電気回路等を有していないが、インピーダンス変換回路・アンプ回路等を構成したものもある。また、例えば、圧電素子23の電極24ａ、24ｂを分割し、検出用と自己診断用に構成した自己診断機能を付加するようにしても良い。
【００７１】
また、本実施形態では加速度センサに関して述べているが、構造上密閉構造ではなく音波の導入孔又は放射孔を構成すれば、マイクロホンまたはスピーカ等の音響変換器としての機能も有し、その応用も考えられる。したがって、このような変換器への応用の場合でも、本発明の主旨と同一であることは言うまでもない。
【００７２】
図７は本発明に係る加速度センサの第２実施形態を示す図であり、第１実施形態と同様の構成には同一番号を付して説明を省略する。
【００７３】
図７は振動板22の素材圧延時のロール目方向Ｘを圧電素子23を接着剤等により固定した後でも容易に認識可能なように、振動板22の外周部付近に認識マーク41ａを付けたものである。なお、同図（ａ）は上面図、（ｂ）は星打ち41ｂの部分拡大図である。
【００７４】
本実施例では振動板22の表面に圧電素子23の電極24ａと電気的に導通接続し易くするための高さ数μｍの微少な星打ちをプレス等の加工により振動板面に構成し、この星打ち41ｂを一部無くすことにより、認識マーク41ａとした場合の例である（星打ちの詳細については特公平７−７８４４８号公報参照）。
【００７５】
なお、本実施形態では、ロール目方向Ｘに合わせて２箇所の位置に認識マーク41ａを形成しているが、数については別段指定するものではなく、一箇所であっても構わない。
【００７６】
したがって、上述したような認識マーク41ａの加工は何ら特性変化への影響およびコストアップもなく追加することが可能である。
【００７７】
なお、本実施形態以外にも種々の認識マークが考えられるが、その目的が同一であれば本発明の主旨と同一であると言える。
【００７８】
このように本実施形態では、振動板22の外周部付近に、振動板22の素材圧延時のロール目方向Ｘを認識する認識マーク41ａを設けたため、圧電素子23が接着剤等により固定された後であっても、認識マーク41ａを目視することで振動板22の素材圧延時のロール目方向Ｘを確認することができ、ロール目方向Ｘの認識ミス等が発生するのを確実に防止してリード線25ａ、25ｂを電極24ａに取付けることができる。
【００７９】
なお、上記各実施形態では、圧電素子23の電極24ａからの出力取り出しをリード線25ａ等を半田付け28ｂ等により接続固定して取り出しているが、リード線25ａ等の代わりに他の接触端子ピン等により取り出しても、その接続点が本発明の趣旨の範囲内であれば構わない。
【００８０】
また、加速度センサとしての基本構成が違っていても、上述したように、本発明は振動板・圧電素子部からの出力の取り出し方法に関するものであり、その出力の取り出し位置が本発明と同様であれば本発明の主旨と同一である言える。
【００８１】
【発明の効果】
本発明によれば、振動板および圧電素子の１／４振動モードによる特性異常（スプリアス不良）を低減することができ、組立が簡単で部品点数を少なくして低価格で高性能な共振型の加速度センサを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る加速度センサの第１実施形態を示す図であり、その断面図
【図２】第１実施形態の振動板・圧電素子部の部分拡大上面図を示す図
【図３】第１実施形態のリード線接続位置の違いによるロール目に対する角度とスプリアス発生率の関係の実験結果を示す図
【図４】第１実施形態のスプリアスの小〜大の判定レベルを示す特性例を示す図
【図５】第１実施形態の振動板を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図
【図６】第１実施形態の振動板素材のスリッター加工後のフープ材を示す斜視図
【図７】本発明に係る加速度センサの第１実施形態を示す図であり、（ａ）は振動板の上面図、（ｂ）は振動板に形成された星打ち部の部分拡大上面図
【図８】従来の加速度センサの断面図
【図９】従来の振動板・圧電素子部の斜視図を示す図
【図１０】従来の周波数特性を示す図
【図１１】従来の共振点付近のみをクローズアップした場合の特性であり、（ａ）は正常な場合、（ｂ）は特性異常（スプリアス不良）がある場合を示す図
【図１２】従来の共振型での振動モードのＦＥＭ解析結果を示す図
【図１３】従来の振動板・圧電素子部の部分拡大上面図を示す図
【符号の説明】
21    金属ケース（本体、取り出し手段）
21ｂ    支持部
22    振動板（取り出し手段）
23    圧電素子
24ａ、24ｂ    電極
25ａ、25ｂ    リード線（接続部材、取り出し手段）
26    コネクタ本体（閉塞部材）
27    出力端子（取り出し手段）
33    ロール目
41ａ    認識マーク
Ｘ    ロール目方向
【図１】
0004209076.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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