(57)【要約】【課題】小型で経年変化の少なく、信頼性のある加速度検出ユニットを得る。【解決手段】外枠６、外枠内空所に配置された浮動片８、外枠内周位置から伸びて浮動片の両腕部８ｂと夫々連設する二本の梁９ａ、９ｂ、及び両腕部と対向する外枠側の対向部を備えた圧電基板１５と、外枠に設けた端子電極と、端子電極Ｓ１、Ｓ２から外枠側対向電極１５ａ、１５ｂへ夫々伸びる第１及び第２の配線パターン１６ａ、１６ｂと、各腕部側対向電極１７ａ、１７ｂ間を接続する第３の配線パターン１８と、端子電極ＰＯ、ＧＮＤから各梁上に伸びて第３の配線パターンと導通する第１、及び第２の電極と、を備え、各梁が撓み変形することによって、何れか一方の腕部側対向電極がギャップを介して対向していた前記外枠側対向電極と導通する信号と、第１の電極及び第２の電極上に励起される電荷による信号と、により加速度を検出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電材料から成り、外枠、該外枠内空所に該外枠と非接触状態で配置された略Ｔ字状の浮動片、前記浮動片の中間突部の両側方において前記外枠内周と該浮動片の両腕部とを夫々連設する二本の梁、及び前記浮動片の両腕部の各端部とギャップを介して対向する前記外枠側対向部を備えた圧電基板と、
前記外枠に設けた４つの端子電極Ｓ１、Ｓ２、ＰＯ、及びＧＮＤと、該端子電極Ｓ１、Ｓ２から前記各外枠側対向部に設けた外枠側対向電極へ夫々伸びる第１及び第２の配線パターンと、前記浮動片の両腕部の各端部に設けた腕部側対向電極と、前記各腕部側対向電極間を接続する第３の配線パターンと、前記端子電極ＰＯ、ＧＮＤから前記各梁上に伸びて前記第３の配線パターンと導通する第１、及び第２の電極と、を備え、
加速度印加時に前記各梁が撓み変形することによって、何れか一方の前記腕部側対向電極がギャップを介して対向していた前記外枠側対向電極と導通する信号と、前記第１の電極及び第２の電極上に励起される電荷による信号と、により前記加速度を検出するように構成されていることを特徴とする圧電式加速度検出ユニット。
【請求項２】
前記圧電材料が水晶であることを特徴とする請求項１に記載の圧電式加速度検出ユニット。
【請求項３】
前記浮動片に重りを付加したことを特徴とする請求項１に記載の圧電式加速度検出ユニット。
【請求項４】
請求項１に記載の圧電式加速度検出ユニットと、チャージアンプと、アナログ積分器と、保持回路と、閾値判定回路と、を備えたことを特徴とする圧電式加速度検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速度検出ユニット、及び加速度検出器に関し、特に圧電基板上に形成した検出素子から加速度信号を二系統とした加速度検出ユニットと、これを用いた加速度検出器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、加速度を検出する加速度センサは、次世代の自動車、ロボット、宇宙産業など幅広い応用を目指して研究、開発が行われている。種々ある加速度センサの中で、所定以上の加速度の有無のみを検出する加速度検出器が知られている。特許文献１にはこの種の加速度検出器の一例が開示されている。
特許文献１に開示された加速度検出器は、筒状のケーシングと、該ケーシング内に連続する側壁を介して、一端が塞がれた筒状部材と、該筒状部材の外周に沿って、加速度検出方向に移動するリング状のマグネットと、該マグネットを前記加速度検出方向とは逆方向に付勢するスプリングと、前記筒状部材内の所定位置に取り付けられたリードスイッチと、を備えている。前記リードスイッチは長目のガラスチューブ内に一対の接触子を配置したものからなり、これらの接触子は互いに水平方向に向い合って開閉自在となっている。また、前記筒状部材内には、これと中心軸が一致するようにリードスイッチのガラスチューブを支持するガイド部が設けられている。前記リードスイッチは加速度検出方向に沿うように取り付けられ、通常はリードスイッチの各接触子が水平方向に開いている。
【０００３】
この加速度検出器は、例えば車両の適所に加速度検出方向に沿うように取り付けられ、車両の衝突などによって車両が大きな加速度を受けると、この加速度を受けて前記マグネットが前記筒状部材上を移動して、各接触子の付近に至る。これにより各接触子が互いに閉じてリードスイッチは導通状態になり、端子を通じて加速度検出信号が外部回路に供給される。このため、この加速度検出信号を受けてエアバッグ側にエアバッグ点火用スクイブ電流が流され、爆発が誘起されてエアバッグを直ちに膨張させる。
【特許文献１】特開平７−１９８７４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示されている加速度検出器では、リードスイッチの両接触子のバネ力、マグネットを逆方向に付勢するスプリングのバネ力、リング状のマグネットと筒状部材との摩擦係数等を、精度よく設定しないと、要求される起動加速度がばらつきを起こすという問題があった。また、逆方向に付勢するスプリングが経年劣化して起動加速度が変動し、動作不具合が生じる虞があるという問題もあった。
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、起動加速度のバラツキが少なく、経年変化が極めて少ない加速度検出器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上記の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００６】
［適用例１］本発明の圧電式加速度検出ユニットは、圧電材料から成り、外枠、該外枠内空所に該外枠と非接触状態で配置された略Ｔ字状の浮動片、前記浮動片の中間突部の両側方において前記外枠内周と該浮動片の両腕部とを夫々連設する二本の梁、及び前記浮動片の両腕部の各端部とギャップを介して対向する前記外枠側対向部を備えた圧電基板と、前記外枠に設けた４つの端子電極Ｓ１、Ｓ２、ＰＯ、及びＧＮＤと、端子電極Ｓ１、Ｓ２から前記各対向部に設けた外枠側対向電極へ夫々伸びる第１及び第２の配線パターンと、前記浮動片の両腕部の各端部に設けた腕部側対向電極と、前記各腕部側対向電極間を接続する第３の配線パターンと、前記端子電極ＰＯ、ＧＮＤから前記各梁上に伸びて前記第３の配線パターンと導通する第１、及び第２の電極と、を備え、加速度印加時に前記各梁が撓み変形することによって、何れか一方の前記腕部側対向電極がギャップを介して対向していた前記外枠側対向電極と導通する信号と、前記第１の電極及び第２の電極上に励起される電荷による信号と、により前記加速度を検出するように構成されていることを特徴とする。
【０００７】
このように圧電式加速度検出ユニットを構成すると、各梁が撓み変形することによって、所定以上の加速度では導通信号と、電荷信号との相異なる二系統の信号を用いて加速度を判定するので、加速度検出ユニットの信頼性が一段と向上するという効果がある。
【０００８】
［適用例２］また圧電式加速度検出ユニットは、前記圧電材料が水晶であることを特徴とする適用例１に記載の圧電式加速度検出ユニットである。
【０００９】
このように圧電式加速度検出ユニットを構成すると、二系統の信号を用いることができると共に、フォトリソグラフィ技術とエッチング手法を用いることができるので、小型で高精度の加速度検出ユニットを構成できるという利点もある。
【００１０】
［適用例３］また圧電式加速度検出ユニットは、前記浮動片に重りを付加したことを特徴とする適用例１に記載の圧電式加速度検出ユニットである。
【００１１】
このように圧電式加速度検出ユニットを構成すると、付加する重りにより加速度感度を調整できるので、要求される広範囲の起動加速度に対応できるという効果がある。
【００１２】
［適用例４］本発明の圧電式加速度検出器は、適用例１に記載の圧電式加速度検出ユニットと、チャージアンプと、アナログ積分器と、保持回路と、閾値判定回路と、を備えたことを特徴とする圧電式加速度検出器である。
【００１３】
このように圧電式加速度検出器を構成すると、小型の加速度検出ユニットと簡単な回路構成とを用いて圧電式加速度検出器を構成できるので、小型化が容易であり、コストも低減できるという利点がある。その上、圧電式加速度検出ユニットはパッケージ内に不活性ガスと共に密封されているので、精度は維持され、温度変化にも優れているという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る圧電式の加速度検出ユニットの実施の形態を示す図であり、（ａ）は、斜視図、（ｂ）は平面図である。圧電式の加速度検出ユニット１は、圧電基板５と、圧電基板５に設けた４つの端子電極Ｓ１、Ｓ２、ＰＯ、及びＧＮＤと、複数の配線パターンと、第１及び第２の電極２０ａ、２０ｂと、を備えている。
圧電基板５は、水晶等の圧電材料から形成された矩形環状の外枠６と、外枠６内の空所に外枠６と非接触状態で配置された略Ｔ字状の浮動片８と、浮動片８の中間突部８ａの両側方に非接触且つ平行に配置され外枠６の内周下側位置から伸びて浮動片８の両腕部８ｂの適所と夫々連設する二本の梁９ａ、９ｂと、を備えている。矩形状の外枠６の内周下側位置に一端を固定した各梁９ａ、９ｂの他端部を浮動片８の両腕部８ｂと夫々連結したので、外枠６の内部空所は複数の小空所７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄに区画される。そして、外枠６側には、浮動片８の両腕部８ｂの各端部１０ａ、１０ｂがギャップ１１ａ、１１ｂを介して対向する外枠側各対向部（突部）１２ａ、１２ｂを備えている。
上記のような圧電基板５は、薄板状の圧電基板を周知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技法を用いて加工して得られる。
【００１５】
外枠６の四隅には、４つの端子電極Ｓ１、Ｓ２、ＰＯ、及びＧＮＤが設けられている。図１（ｂ）中上部両端に設けられた端子電極Ｓ１、Ｓ２は、第１及び第２の配線パターン１６ａ、１６ｂにより、各外枠側対向部１２ａ、１２ｂに設けた外枠側対向電極１５ａ、１５ｂに接続されている。浮動片８の両腕部８ｂの各端部１０ａ、１０ｂに設けた腕部側対向電極１７ａ、１７ｂ間は、第３の配線パターン１８により導通されている。
各梁９ａ、９ｂ上には夫々第１、及び第２の電極２０ａ、２０ｂが形成されているが、各電極２０ａ、２０ｂの形状、結線については別途説明する。外枠６上の図１（ｂ）中下部両端に設けられた端子電極ＧＮＤ、ＰＯから夫々第４及び第５の配線パターン１９ａ、１９ｂが伸び、夫々電極２０ａ、２０ｂを介して第３の配線パターン１８に導通している。
４つの端子電極Ｓ１、Ｓ２、ＰＯ、及びＧＮＤ、第１から第５の配線パターン１６ａ、１６ｂ、１８、１９ａ、１９ｂ、外枠６側対向電極１５ａ、１５ｂ、腕部側対向電極１７ａ、１７ｂ及び第１及び第２の電極２０ａ、２０ｂは、蒸着法、スパッタリング法等を用いて、圧電基板５上に形成される。
【００１６】
図１（ｂ）に示す圧電式加速度検出ユニット１に、加速度αが図示のように＋Ｘ軸方向に印加される場合を考える。所定の大きさ以上の加速度αである場合は、図２に示す加速度検出ユニット１のように、慣性力により梁９ａ、９ｂは共に−Ｘ軸方向に撓んで変形する。この変形によりギャップ１１ａが閉じ、浮動片８の腕部側対向電極１７ａが外枠６側対向電極１５ａと接触し、一瞬端子電極Ｓ１と端子電極ＧＮＤとが導通する。この端子電極Ｓ１−ＧＮＤ間の導通信号を加速度検出に用いる。
所定の大きさより小さい加速度の場合は、慣性力により梁９ａ、９ｂは共に−Ｘ軸方向に撓んで変形するが、ギャップ１１ａは閉じず、浮動片８の腕部側対向電極１７ａと外枠６側対向電極１５ａとの接触が起こらないので、端子電極Ｓ１−ＧＮＤ間の導通も生じない。
また、加速度αが−Ｘ軸方向に印加される場合は、所定の加速度より大きい場合にはギャップ１１ｂが閉じて、導通信号がながれる。所定の加速度より小さい場合にはギャップ１１ｂは閉じず、導通信号は流れない。
ギャップ１１ａ、１１ｂの間隙は、検出すべき加速度の大きさと、圧電基板５の弾性定数と、梁９ａ、９ｂの形状寸法（長さ、幅、厚さ）等に依存するので、シミュレーションと実験により適切に設定することが望ましい。
【００１７】
印加された加速度により梁９ａ、９ｂには同位相の屈曲の変位が生じ、この屈曲の変位により歪が生じ、圧電直接効果により電荷が発生する。発生した電荷を効率よくピックアップするように、梁９ａ、９ｂの電極パターン２０ａ、２０ｂを形成する。例えば双音叉型水晶振動子の一方の振動片の電極と類似させて、３分割された電極の中、上部の電極を切除したような形状に構成にする。図３は梁９ａ（又は９ｂ）に形成する電極２０ａ（又は２０ｂ）を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は夫々の部分の断面図と、結線図である。図３（ａ）、（ｂ）に示す「＋」、「−」の符号は、ある瞬間に発生する電荷の符号を示している。電極２０ａは梁９ａの４面に形成され、梁９ａの中央から上部にかけては表面の電極２０ａ１、裏面の電極２０ａ２、両側面の電極２０ａ３、２０ａ４が形成される。また、梁９ａの下部には表面の電極２０ａ５、裏面の電極２０ａ６、両側面の電極２０ａ７、２０ａ８が形成される。電極２０ａ１〜２０ａ８のパターンは電荷を最も効率よくピックアップできるように設定する。
【００１８】
電極２０ａの各電極２０ａ１〜２０ａ８の接続（結線）は、図３（ｂ）の断面図に示すように「＋」電荷が発生する電極同士、「−」電荷が発生する電極同士を結線するように、梁９ａ上に形成されたリード配線により行う。そして、梁９ａ、９ｂに設けた電極２０ａ、２０ｂの結線は、並列接続と、直列接続とがある。つまり、電極２０ａと２０ｂの同配置の電極上には同符号の電荷が発生するので、図１（ｂ）の配線のように同符号の電極同士を結線した場合が並列接続、電極２０ａの「＋」電荷の発生電極と、電極２０ｂの「−」電荷発生電極とを接続した場合が直列接続である。電極２０ａと２０ｂの並列接続の場合の電荷は、１つの梁９ａ（９ｂ）の発生電荷の２倍になり、直列接続の場合の電荷は、１つの梁９ａ（９ｂ）の発生電荷のままであるが、梁９ａ（９ｂ）と電極２０ａ（２０ｂ）を容量とみた場合は、電圧は２倍になる。並列接続、直列接続のいずれを選ぶかは、加速度検出ユニット１につながる外部回路に依存する。
本発明になる圧電式加速度検出ユニット１は、端子電極Ｓ１（又はＳ２）と端子電極ＧＮＤとの導通という信号と、端子電極ＰＯと端子電極ＧＮＤとの間でピックアップされる電荷という信号と、の二重の情報に基づき、所定以上の加速度αを検出するように構成された圧電式加速度ユニットである。
【００１９】
図４は圧電式加速度ユニット３０を示す平面図であり、図１で説明した圧電式加速度ユニット１をパッケージ３１内に収容したものである。圧電式加速度ユニット３０は、圧電式加速度ユニット１をパッケージ３１の台座部（図示せず）に接着剤を介して載置し、圧電式加速度ユニット１の端子電極Ｓ１、Ｓ２、ＧＮＤ、及びＰＯを、夫々パッケージ３１のパッド電極３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、及び３５ｄにボンディングワイヤ３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、及び３５ｄにて接続して、構成する。パッド電極３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、及び３５ｄは、内部配線にてパッケージ３１の外部端子と夫々導通されている。台座部はパッケージ３１の四隅に上部が平坦な突起部をパッケージ３１と一体として形成したものである。
圧電式加速度ユニット３０の両梁及び略Ｔ字状の浮動片は、Ｘ軸方向の加速度が印加されると撓んで変形し、所定以上の加速度を検出する加速度検出ユニットとして機能する。
【００２０】
図５は圧電式加速度ユニット４０を示す平面図であり、図１で説明した圧電式加速度ユニット２つ（１と１’とする）を、パッケージ４１内に互いに直交させて収容したものである。圧電式加速度ユニット４０は、圧電式加速度ユニット１、１’をパッケージ４１の夫々の台座部（図示せず）に接着剤を介して載置し、圧電式加速度ユニット１の端子電極Ｓ１、Ｓ２、ＧＮＤ、及びＰＯを、夫々パッケージ４１のパッド電極４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、及び４２ｄに、ボンディングワイヤ４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、及び４３ｄにて接続する。更に、圧電式加速度ユニット１’の端子電極Ｓ１、Ｓ２、ＧＮＤ、及びＰＯを、夫々パッケージ４１のパッド電極４５ａ、４５ｂ、４５ｃ、及び４５ｄに、ボンディングワイヤ４６ａ、４６ｂ、４６ｃ、及び４６ｄにて接続して構成する。パッド電極４２ａ〜４２ｄ、４５ａ〜４５ｄは、内部配線によりパッケージ４１の外部端子と夫々導通されている。圧電式加速度検出ユニット４０は、加速度検出ユニット１、１’の加速度検出方向が互いに直交して配置されているので、Ｘ軸方向の加速度が印加されると加速度検出ユニット１’が作動し、Ｙ軸方向の加速度が印加されると加速度検出ユニット１が作動して、加速度を検出するように構成されている。
【００２１】
図６は、図４に示す加速度検出ユニット３０を用いた加速度検出器５０の構成を示すブロック図であり、図７はフローチャート図である。加速度検出器５０に加速度αが印加されると、加速度検出ユニット３０の梁上に形成された電極が、発生した電荷をピックアップし、電荷はチャージＡＭＰ５１で電圧に変換されて増幅され、増幅された電圧がアナログ積分器５２で加算され、閾値判定回路５４に入力される。一方、加速度が所定の大きさ以上の場合に、加速度検出ユニット３０は導通信号を発生し、導通信号は保持回路で保持されると共に、閾値判定回路５４に入力される。閾値判定回路５４は、アナログ積分器５２の電圧が所定の値を超えたか判定すると共に、加速度検出ユニット３０の導通信号を判定し、両者とも判定が「Ｙｅｓ」の場合に加速度を検出したと判定する。
図６に示す加速度検出器５０は１方向の加速度のみを検出するが、図５に示す加速度検出ユニット４０を用いて加速度検出器を作れば、互いに直交する２方向の加速度を検出することができる。
このような加速度検出器は自動車等に搭載され、本発明になる加速度検出器の信号により、エアバッグ側にエアバッグ点火用スクイブ電流が流され、爆発が誘起されてエアバッグを直ちに膨張させることが可能となる。
本発明になる加速度検出ユニットは圧電基板をフォトリソグラフィ技術とエッチング手法を用いて加工し、真空蒸着法を用いて電極、配線パターン等を形成すると共に、パッケージの中に不活性ガスと共に密封するので、信頼性は高いし、経年変化も極めて少ない。その上、二系統の信号を用いるので信頼性が一段と向上する。
【００２２】
以上において圧電基板として説明してきたが、例えば水晶基板を用いるとよい。Ｚカット水晶基板に関しては音叉型水晶振動子の製作でフォトリソグラフィ技法、エッチング手法の実績が十分にある。その上、水晶基板のエージング特性は優れており、温度による線膨張係数も小さいからである。
また、加速度による梁の撓みを大きくする、つまり加速度検出の感度を上げるには、図８に示す加速度検出ユニット２のように浮動片８に重りＭを形成するとよい。例えば、浮動片８の先端部に水晶片を重りＭとして接着してもよいし、重い金属材料の膜を蒸着等の手法で形成して重りＭとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】（ａ）は本発明に係る加速度検出ユニットの構造を示す概略斜視図、（ｂ）は平面図。
【図２】加速度が印加された場合の加速度検出ユニットの変形を示す図。
【図３】加速度検出ユニットの梁に形成する電極の構成を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図。
【図４】加速度検出ユニットの平面図。
【図５】加速度検出ユニットの平面図。
【図６】加速度検出器の構成を示すブロック図。
【図７】加速度検出器のフローチャート図。
【図８】加速度検出ユニットの平面図。
【符号の説明】
【００２４】
１、２、３０、４０…加速度検出ユニット、５…圧電基板、６…外枠、７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ…空所、８…浮動片、８ａ…中間突部、８ｂ…腕部、９ａ、９ｂ…梁、１０ａ、１０ｂ…端部、１１ａ、１１ｂ…ギャップ、１２ａ、１２ｂ…対向部、１５ａ、１５ｂ…外枠側対向電極、１６ａ…第１の配線パターン、１６ｂ…第２の配線パターン、１７ａ、１７ｂ…腕部側対向電極、１８…第３の配線パターン、１９ａ…第４の配線パターン、１９ｂ…第５の配線パターン、２０ａ…第１の電極、２０ａ１、２０ａ２、２０ａ３、２０ａ４、２０ａ５、２０ａ６、２０ａ７、２０ａ８…電極、２０ｂ…第２の電極、Ｓ１、Ｓ２、ＰＯ、ＧＮＤ…端子電極、３１、４１…パッケージ、３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ、４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ、４５ａ、４５ｂ、４５ｃ、４５ｄ…パッド電極、３３…シールリング、３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄ、４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄ、４６ａ、４６ｂ、４６ｃ、４６ｄ…ボンディングワイヤ、５０…加速度検出器、５１…チャージアンプ、５２…アナログ積分器、５３…保持回路、５４…閾値判定回路、Ｍ…重り
【図１】
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【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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