JP2009053141A

JP2009053141A - 加速度センサモジュール

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Publication number: JP2009053141A
Application number: JP2007222248A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Hattori; 泰服部; Daisuke Kanari; 大輔金成
Original assignee: Yokohama Rubber Co Ltd
Current assignee: Yokohama Rubber Co Ltd
Priority date: 2007-08-29
Filing date: 2007-08-29
Publication date: 2009-03-12

Abstract

【課題】少なくとも２つの方向の加速度を精度良く検出可能な加速度センサモジュールを提供する。
【解決手段】ｘ軸方向の加速度を検出するバイモルフ型圧電素子からなる第１加速度センサ200Aとその出力に接続された第１出力回路300Aをセンサ基板130の上面に装着して接続電極131から検出信号を取り出し、ｙ軸方向の加速度を検出するバイモルフ型圧電素子からなる第２加速度センサ200Bとその出力に接続された第２出力回路300Bをセンサ基板130の下面に装着して接続電極132から検出信号を取り出す。これにより、ほぼ同一位置におけるｘ軸方向の加速度とｙ軸方向の加速度を容易に検出することができると共に、加速度センサ200A,200Bと出力回路300A,300Bとの間の配線を短くすることができ、この配線による損失を低減することができるので、雑音の影響を受け難くなり、精度の良い検出を行うことができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、少なくとも２つの方向の加速度を精度良く検出可能な加速度センサモジュールに関するものである。

従来、PZT（チタン酸ジルコン酸鉛）やBaTiO₃（チタン酸バリウム）といった圧電素子を２枚積層し、印加電圧当たりの変位を大きくしたり或いは単位変化量当たりの出力電圧を大きくしたバイモルフ型圧電素子(bimorph type piezo-electric element)が知られている。

このバイモルフ型圧電素子は、一般的に振動子やアクチュエータに用いられることが多い。例えば実開平７−３６０６４号公報（特許文献１）に開示されるようにバイモルフ型圧電素子が衝撃センサとして用いられたり、また、特開２００７−６４６４９号公報（特許文献２）に開示されるようにバイモルフ型圧電素子が加速度センサとしても用いられている。
実開平７−３６０６４号公報特開２００７−６４６４９号公報

しかしながら、上記特許文献に開示されるようにバイモルフ型圧電素子をセンサとして用いた場合、その検出結果を表す電気信号として出力するための出力回路が必要になり、バイモルフ型圧電素子と出力回路との間の配線による損失が周波数によって極度に大きくなってしまい、雑音の影響を受けやすくなり、精度の良い検出を行うことができないことがあった。

また、ほぼ同一位置における異なる方向の振動や加速度を検出するためには、検出対象となる方向の数だけのバイモルフ型圧電素子を用いるため、その設置作業に手間を要するという問題点があった。

本発明は前記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、少なくとも２つの方向の加速度を精度良く検出可能な加速度センサモジュールを提供することである。

本発明は前記目的を達成するために、所定方向の加速度を検出して該加速度の検出結果を所定の電気信号で出力する加速度センサモジュールにおいて、センサ基板と、所定方向の加速度を検出するように、前記センサ基板の一方の面に方持ち状態で一端部が前記センサ基板に固定されて装着された所定の長さと厚さとを有する板状の第１バイモルフ型圧電素子と、前記センサ基板の一方の面に装着され、前記第１バイモルフ型圧電素子から出力される電気信号を入力して、前記第１バイモルフ型圧電素子が検出した加速度の検出結果を表す電気信号を出力する第１出力回路と、前記第１バイモルフ型圧電素子により検出される加速度の方向とは異なる方向の加速度を検出するように、前記センサ基板の他方の面に方持ち状態で一端部が前記センサ基板に固定されて装着された所定の長さと厚さとを有する板状の第２バイモルフ型圧電素子と、前記センサ基板の他方の面に装着され、前記第２バイモルフ型圧電素子から出力される電気信号を入力して、前記第２バイモルフ型圧電素子が検出した加速度の検出結果を表す電気信号を出力する第２出力回路とを備えている加速度センサモジュールを提案する。

本発明の加速度センサモジュールは、センサ基板の一方の面に装着された第１バイモルフ型圧電素子とセンサ基板の他方の面に装着された第２バイモルフ型圧電素子によってそれぞれ異なる方向の加速度が検出される。さらに、第１及び第２バイモルフ型圧電素子の出力信号はそれぞれ同じセンサ基板上に設けられた第１及び第２出力回路によって加速度の検出結果を表す電気信号として出力される。

本発明の加速度センサモジュールによれば、検出する加速度の方向に対応させて、センサ基板への第１及び第２バイモルフ型圧電素子の装着方向を設定しておくことにより、所望の異なる方向の加速度を容易に検出することができる。

さらに、第１及び第２バイモルフ型圧電素子が装着されているセンサ基板上に第１及び第２出力回路が設けられているため、バイモルフ型圧電素子と出力回路との間の配線による損失を低減することができるので、精度の良い検出を行うことができる。

図１乃至図７は本発明の第１実施形態における加速度センサモジュールを示す図で、図１はその外観斜視図、図２はセンサ基板を示す外観斜視図、図３はセンサ基板を示す平面図、図４は図３におけるＡ−Ａ線矢視方向側面図、図５は図３におけるＢ−Ｂ線矢視方向側面図である。また、図６及び図７は本発明の第１実施形態におけるバイモルフ型圧電素子からなる加速度センサを示す図で、図６は平面図、図７は図６におけるＣ−Ｃ線矢視方向の側面図である。

図において、100は加速度センサモジュールで、上側カバー110、下側カバー120、センサ基板130から構成され、センサ基板130の上面側に上側カバー110が装着され、センサ基板130の下面側に下側カバー120が装着されている。また、上側カバー110及び下側カバー120の２つの側辺部には上下対応する位置に開口部111,112,121が形成されており、これらの開口部111,112,121からセンサ基板130の上面及び下面のそれぞれに形成された接続電極131,132が外部に露出するようになっている。

センサ基板130は正方形の板状をなし、その上面にバイモルフ型圧電素子からなる第１加速度センサ200Aと第１出力回路300A及び複数の接続電極131,132が設けられている。また、センサ基板130の下面にはバイモルフ型圧電素子からなる第２加速度センサ200Bと第２出力回路300B及び複数の接続電極131,132が設けられている。

第１加速度センサ200Aは、図６及び図７に示すように、支持部材210と振動片220とからなり、振動片220の一端側が支持部材210によってセンサ基板130の上面に固定されている。振動片220は長方形の板状をなすと共に電極板221A〜221Dと板状の圧電部材222A,222B、絶縁板223が積層された多層構造をなしている。すなわち、中央に絶縁板223が配置され、絶縁板223の両面のそれぞれに電極板221C,221Dが配置され、電極板221Cの外側に圧電部材222Aが配置され、圧電部材222Aの外側に電極板221Aが配置されている。また、電極板221Dの外側に圧電部材222Bが配置され、圧電部材222Bの外側に電極板221Bが配置されている。本実施形態においては、この振動片220の長さＬは４．８ｍｍ、厚さＤは１．０５ｍｍ、幅Ｗは２．０ｍｍ、共振周波数が２３．５ｋＨｚに設定されている。

上記構成からなる加速度センサ200Aは、図２に示すように、センサ基板130の隣り合う２つの辺をｘ軸方向とｙ軸方向とするｘ，ｙ，ｚ直交座標を設定し、振動片220の電極板221A〜221Dの面がｘｙ平面に直交し且つｙｚ平面に平行になるようにセンサ基板130の上面に固定されている。このとき、第１加速度センサ200Aの振動片220とセンサ基板130の上面との間には所定幅の隙間が形成されている。これにより、第１加速度センサは振動片220の他端部がｘ軸方向に振動し，ｘ軸方向の加速度を検出して、電気信号として第１出力回路300Aに出力する。

第２加速度センサ200Bも第１加速度センサ200Aと同じ構造をなし、振動片220の電極板221A〜221Dの面がｘｙ平面に直交し且つｘｚ平面に平行になるようにセンサ基板130の下面に固定されている。このとき、第２加速度センサ200Bの振動片220とセンサ基板130の下面との間には所定幅の隙間が形成されている。これにより、第２加速度センサは振動片220の他端部がｙ軸方向に振動し，ｙ軸方向の加速度を検出して、電気信号として第２出力回路300Bに出力する。

また、第１加速度センサ200Aの振動片220の他端（開放端）から一端（固定端）方向に０．５ｍｍの位置と第２加速度センサ200Bの振動片220の他端（開放端）から一端（固定端）方向に０．５ｍｍの位置がｚ軸方向に重なるように第１加速度センサ200Aと第２加速度センサ200Bがセンサ基板130の上下面に配置されている。これにより、ほぼ同一位置におけるｘ軸方向の加速度とｙ軸方向の加速度を検出することができる。

第１及び第２出力回路300A,300Bは、図８に示す構成をなしている。図８において、300は出力回路で、第１増幅回路310、第２増幅回路320、ローパスフィルタ330、第３増幅回路340から構成されている。

第１増幅回路310は、並列接続されたキャパシタ311と抵抗器312および演算増幅器313とから構成され，キャパシタ311と抵抗器312の一端及び演算増幅器313の入力端が一方の入力端子301に接続され、キャパシタ311と抵抗器312の他端及び演算増幅器313の出力がローパスフィルタ330の一方の入力端に接続されている。

第２増幅回路320は、並列接続されたキャパシタ321と抵抗器322および演算増幅器323とから構成され，キャパシタ321と抵抗器322の一端及び演算増幅器323の入力端が他方の入力端子302に接続され、キャパシタ321と抵抗器322の他端及び演算増幅器323の出力がローパスフィルタ330の他方の入力端に接続されている。

ローパスフィルタ330は７ｋＨｚの周波数を遮断周波数とするものである。

第３増幅回路340は、キャパシタ341,342、抵抗器343,344、演算増幅器345とから構成され、演算増幅器345の一方の入力端はキャパシタ342の一端と，抵抗器343,344のそれぞれの一端に接続されている。抵抗器343の他端はキャパシタ341を介してローパスフィルタ330の出力端に接続されている。キャパシタ342の他端及び抵抗器344の他端は演算増幅器345の出力端と一方の出力端子303に接続されている。また、演算増幅器345の他方の入力端と他方の出力端子304は接地されている。尚、図８に示す回路図において，電源系統の配線は省略している。

また、第１出力回路300Aの入力端子301,302は第１加速度センサ200Aの電極221A,221Bに接続され、出力端子303,304は接続電極131に接続されている。第２出力回路300Bの入力端子301,302は第２加速度センサ200Bの電極221A,221Bに接続され、出力端子303,304は接続電極132に接続されている。このように本実施形態では振動片220（バイモルフ型圧電素子）の両外側に配置された電極板221A,221Bのみを用いた直列接続としてバイモルフ型圧電素子を使用している。尚、内側の電極板221C,221Dを用いた並列接続としてバイモルフ型圧電素子を使用することも可能である。

上記構成の第１実施形態における加速度センサモジュール100を用いることにより、ほぼ同一位置におけるｘ軸方向の加速度とｙ軸方向の加速度を容易に検出することができる。さらに、同じセンサ基板130上において、第１加速度センサ200Aの近傍に第１出力回路300Aが配置され、第２加速度センサ200Bの近傍に第２出力回路300Bが配置されているので、加速度センサ200A,200Bと出力回路300A,300Bとの間の配線を短くすることができ、この配線による損失を低減することができるので、雑音の影響を受け難くなり、精度の良い検出を行うことができる。

次に、本発明の第２実施形態を説明する。

図９乃至図１３は本発明の第２実施形態の加速度センサモジュールを示す図で、図９はその外観斜視図、図１０はセンサ基板を示す外観斜視図、図１１はセンサ基板を示す平面図、図１２は図１１におけるＤ−Ｄ線矢視方向側面図、図１３は図１１におけるＥ−Ｅ線矢視方向側面図である。これらの図において、前述した第１実施形態と同一構成部分は同一符号をもって表し、その説明を省略する。また、第２実施形態と前述した第１実施形態との相違点は、第２実施形態の加速度センサモジュール100Bでは第２加速度センサ200Bと第２出力回路300Bに代えて、第３加速度センサ200Cと第３出力回路300Cを設けたことである。

第３加速度センサ200Cは、第１及び第２加速度センサ200A,200Bと同様の構成をなし、ｚ軸方向の加速度を検出できるように振動片220の電極板221A〜221Dの面がｘｙ平面に平行になり且つｘｚ平面に直交するようにセンサ基板130の下面に装着されている。第３出力回路300Cは第１及び第２出力回路300A,300Bと同じ構成をなし、その入力端子301,302が第３加速度センサ200Cの電極221A,221Bに接続され、出力端子303,304は接続電極132に接続されている。

また、第１加速度センサ200Aの振動片220の他端（開放端）から一端（固定端）方向に０．５ｍｍの位置と第３加速度センサ200Cの振動片220の他端（開放端）から一端（固定端）方向に０．５ｍｍの位置がｚ軸方向に重なるように第１加速度センサ200Aと第３加速度センサ200Cがセンサ基板130の上下面に配置されている。これにより、ほぼ同一位置におけるｘ軸方向の加速度とｚ軸方向の加速度を検出することができる。

上記構成の第２実施形態における加速度センサモジュール100Bを用いることにより、ほぼ同一位置におけるｘ軸方向の加速度とｚ軸方向の加速度を容易に検出することができる。さらに、同じセンサ基板130上において、第１加速度センサ200Aの近傍に第１出力回路300Aが配置され、第３加速度センサ200Cの近傍に第３出力回路300Cが配置されているので、加速度センサ200A,200Cと出力回路300A,300Cとの間の配線を短くすることができ、この配線による損失を低減することができるので、雑音の影響を受け難くなり、精度の良い検出を行うことができる。

次に、本発明の第３実施形態を説明する。

図１４乃至図１８は本発明の第３実施形態の加速度センサモジュールを示す図で、図１４はその外観斜視図、図１５はセンサ基板を示す外観斜視図、図１６はセンサ基板を示す平面図、図１７は図１６におけるＦ−Ｆ線矢視方向側面図、図１８は図１６におけるＧ−Ｇ線矢視方向側面図である。これらの図において、前述した第１及び第２実施形態と同一構成部分は同一符号をもって表し、その説明を省略する。また、第３実施形態と前述した第２実施形態との相違点は、第３実施形態の加速度センサモジュール100Bでは、第３加速度センサ200Cに重ねて第２加速度センサ200Bを設けると共にその近傍に第２出力回路300Bを設け、その出力端子を接続端子132に接続したことである。すなわち、第３実施形態では、ｘ軸方向の加速度を検出する第１加速度センサ200Aと、ｙ軸方向の加速度を検出する第２加速度センサ200Bと、ｚ軸方向の加速度を検出する第３加速度センサ200Cの３つの加速度センサを備えた加速度センサモジュール100Cを構成した。ここで、第１加速度センサ200Aの振動片220の他端（開放端）から一端（固定端）方向に０．５ｍｍの位置と第２加速度センサ200Bの振動片220の他端（開放端）から一端（固定端）方向に０．５ｍｍの位置と第３加速度センサ200Cの振動片220の他端（開放端）から一端（固定端）方向に０．５ｍｍの位置がｚ軸方向に重なるように第１加速度センサ200Aと第２加速度センサ200Bと第３加速度センサ200Cがセンサ基板130の上下面に配置されているので、ほぼ同一位置におけるｘ軸方向の加速度とｙ軸方向の加速度とｚ軸方向の加速度を検出することができる。

上記構成の第３実施形態における加速度センサモジュール100Cを用いることにより、ほぼ同一位置におけるｘ軸方向の加速度とｙ軸方向の加速度とｚ軸方向の加速度を容易に検出することができる。さらに、同じセンサ基板130上において、第１加速度センサ200Aの近傍に第１出力回路300Aが配置され、第２加速度センサ200Bの近傍に第２出力回路300Bが配置され、第３加速度センサ200Cの近傍に第３出力回路300Cが配置されているので、加速度センサ200A,200B,200Cと出力回路300A,300B,300Cとの間の配線を短くすることができ、この配線による損失を低減することができるので、雑音の影響を受け難くなり、精度の良い検出を行うことができる。

尚、上記実施形態では、ｘ，ｙ，ｚ直交座標における３つの軸方向の加速度を検出できるように各加速度センサモジュール200A,200B,200Cを設けたが、これに限定されることなく、必要に応じて所望方向の加速度を検出できるように加速度センサを配置して良いことは言うまでもない。

本発明の第１実施形態における加速度センサモジュールを示す外観斜視図本発明の第１実施形態における加速度センサモジュールのセンサ基板を示す外観斜視図本発明の第１実施形態における加速度センサモジュールのセンサ基板を示す平面図図３におけるＡ−Ａ線矢視方向側面図図３におけるＢ−Ｂ線矢視方向側面図本発明の第１実施形態におけるバイモルフ型圧電素子からなる加速度センサを示す平面図図６におけるＣ−Ｃ線矢視方向の側面図本発明の第１実施形態における出力回路を示す回路図本発明の第２実施形態における加速度センサモジュールのセンサ基板を示す平面図本発明の第２実施形態における加速度センサモジュールのセンサ基板を示す外観斜視図本発明の第２実施形態における加速度センサモジュールのセンサ基板を示す平面図図１１におけるＤ−Ｄ線矢視方向側面図図１１におけるＥ−Ｅ線矢視方向側面図本発明の第３実施形態における加速度センサモジュールのセンサ基板を示す平面図本発明の第３実施形態における加速度センサモジュールのセンサ基板を示す外観斜視図本発明の第３実施形態における加速度センサモジュールのセンサ基板を示す平面図図１６におけるＦ−Ｆ線矢視方向側面図図１６におけるＧ−Ｇ線矢視方向側面図

符号の説明

100,100B,100C…加速度センサモジュール、110…上側カバー、111,112…開口部、120…下側カバー、121…開口部、130…センサ基板、131,132…接続電極、200A…第１加速度センサ、200B…第２加速度センサ、200C…第３加速度センサ、210…支持部材、220…振動片、221A〜221D…電極板、222A,222B…圧電部材、223…絶縁板、300…出力回路、301,302…入力端子、303,304…出力端子、300A…第１出力回路、300B…第２出力回路、300C…第３出力回路、310…第１増幅回路、311…キャパシタ、312…抵抗器、313…演算増幅器、320…第２増幅回路、321…キャパシタ、322…抵抗器、323…演算増幅器、330…ローパスフィルタ、340…第３増幅回路、341,342…キャパシタ、343,344…抵抗器、345…演算増幅器。

Claims

所定方向の加速度を検出して該加速度の検出結果を所定の電気信号で出力する加速度センサモジュールにおいて、
センサ基板と、
所定方向の加速度を検出するように、前記センサ基板の一方の面に方持ち状態で一端部が前記センサ基板に固定されて装着された所定の長さと厚さとを有する板状の第１バイモルフ型圧電素子と、
前記センサ基板の一方の面に装着され、前記第１バイモルフ型圧電素子から出力される電気信号を入力して、前記第１バイモルフ型圧電素子が検出した加速度の検出結果を表す電気信号を出力する第１出力回路と、
前記第１バイモルフ型圧電素子により検出される加速度の方向とは異なる方向の加速度を検出するように、前記センサ基板の他方の面に方持ち状態で一端部が前記センサ基板に固定されて装着された所定の長さと厚さとを有する板状の第２バイモルフ型圧電素子と、
前記センサ基板の他方の面に装着され、前記第２バイモルフ型圧電素子から出力される電気信号を入力して、前記第２バイモルフ型圧電素子が検出した加速度の検出結果を表す電気信号を出力する第２出力回路とを備えている
ことを特徴とする加速度センサモジュール。
前記第１バイモルフ型圧電素子と前記第２バイモルフ型圧電素子のそれぞれは、長さ方向が前記センサ基板の表裏面と平行になるように前記センサ基板に装着されている
ことを特徴とする請求項１に記載の加速度センサモジュール。
前記第１バイモルフ型圧電素子により検出される加速度の方向と、前記第２バイモルフ型圧電素子により検出される加速度の方向とが互いに直交するするように、前記第１バイモルフ型圧電素子と前記第２バイモルフ型圧電素子が前記センサ基板に装着されている
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の加速度センサモジュール。
前記第１バイモルフ型圧電素子により検出される加速度の方向と、前記第２バイモルフ型圧電素子により検出される加速度の方向の双方に対して直交する方向の加速度を検出するように、前記センサ基板の何れか一方の面に方持ち状態で一端部が前記センサ基板に固定されて装着された所定の長さと厚さとを有する板状の第３バイモルフ型圧電素子と、
前記第３バイモルフ型圧電素子が装着された前記センサ基板の面に装着され、前記第３バイモルフ型圧電素子から出力される電気信号を入力して、前記第３バイモルフ型圧電素子が検出した加速度の検出結果を表す電気信号を出力する第３出力回路とを備えている
ことを特徴とする請求項３に記載の加速度センサモジュール。
１０ｋＨｚよりも高い周波数を共振周波数とするバイモルフ型圧電素子が用いられている
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れかに記載の加速度センサモジュール。
各バイモルフ型圧電素子の振動片の一部が前記センサ基板の表裏面に対して垂直な方向に重なるように各バイモルフ型圧電素子が配置されている
ことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れかに記載の加速度センサモジュール。