JPH04258713A - Absolute tilt angle sensor - Google Patents
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- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
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Abstract
Description
【0001】0001
【産業上の利用分野】本発明は、絶対傾斜角センサに関
する。具体的にいうと、本発明は、自動車の車体等の地
面(もしくは、重力方向)に対する傾きを計測するため
の絶対傾斜角センサに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to absolute tilt angle sensors. Specifically, the present invention relates to an absolute inclination angle sensor for measuring the inclination of a vehicle body or the like with respect to the ground (or the direction of gravity).
【0002】0002
【従来の技術】図4(a)(b)に従来の機械式絶対傾
斜角センサPを示す。これは図4(a)に示すように、
本体51の空洞52内に振り子53を納め、軸54によ
って振り子53を偏心位置で回動自在に軸支させたもの
である。振り子53の例えば重心側には指示マーク55
が描かれており、空洞52の周囲にはスケール56が刻
まれている。2. Description of the Related Art FIGS. 4(a) and 4(b) show a conventional mechanical absolute tilt angle sensor P. As shown in Figure 4(a),
A pendulum 53 is housed in a cavity 52 of a main body 51, and is rotatably supported by a shaft 54 at an eccentric position. For example, there is an instruction mark 55 on the center of gravity side of the pendulum 53.
is drawn, and a scale 56 is carved around the cavity 52.
【0003】しかして、図4(a)のように本体51が
水平となっている場合には、振り子53の指示マーク5
5はスケール56の中央を示しているが、図4(b)の
ように本体51が傾いても、振り子53は静止したまま
であるので、指示マーク55はスケール56の異なる目
盛りを示し、指示マーク55が示すスケール56の目盛
りを読むことにより本体51の絶対傾斜角を知ることが
できる。However, when the main body 51 is horizontal as shown in FIG. 4(a), the indicator mark 5 of the pendulum 53
5 indicates the center of the scale 56, but even if the main body 51 is tilted as shown in FIG. 4(b), the pendulum 53 remains stationary. By reading the scale 56 indicated by the mark 55, the absolute inclination angle of the main body 51 can be determined.
【0004】しかしながら、機械式の絶対傾斜角センサ
は目視用のものであって、傾斜角の検出信号を出力する
手段を持たない。また、このような構造の絶対傾斜角セ
ンサにあっては、前後または左右などの1方向の傾斜角
しか検出できず、前後左右の2方向における傾斜角を知
るためには向きを変えて2個のセンサを設置する必要が
あり、構造が大型化になるという問題がある。However, the mechanical absolute tilt angle sensor is for visual observation and does not have a means for outputting a tilt angle detection signal. In addition, absolute tilt angle sensors with this structure can only detect tilt angles in one direction, such as front and back or left and right.In order to determine the tilt angle in two directions, front and back and left and right, two sensors are required by changing their orientation. There is a problem in that it is necessary to install several sensors, which increases the size of the structure.
【0005】図5(a)(b)に静電容量式の絶対傾斜
角センサQを示す。図5(a)に示すように、ケース6
1内に納められた容器64には液体65を溜めてある。
また、容器64の前後及び左右にはそれぞれ電極62,
63,…を対向させてあり、左右の電極62,63間の
静電容量及び前後の電極間静電容量は、静電容量検知回
路66によって検出される。FIGS. 5(a) and 5(b) show a capacitance type absolute tilt angle sensor Q. As shown in Figure 5(a), case 6
A liquid 65 is stored in a container 64 housed in the container 1 . Further, electrodes 62 are provided on the front and rear and left and right sides of the container 64, respectively.
63, .
【0006】しかして、図5(a)に示すように絶対傾
斜角センサQが水平となっている場合と、図5(b)に
示すように絶対傾斜角センサQが傾いている場合とでは
、電極間において液体の分布が変化するので、電極間静
電容量が変化する。したがって、この電極間静電容量の
変化を静電容量検知回路66で検出することにより、絶
対傾斜角センサQの傾斜角を知ることができる。[0006] However, there are two cases: when the absolute tilt angle sensor Q is horizontal as shown in FIG. 5(a), and when the absolute tilt angle sensor Q is tilted as shown in FIG. 5(b). , since the liquid distribution changes between the electrodes, the capacitance between the electrodes changes. Therefore, by detecting this change in interelectrode capacitance with the capacitance detection circuit 66, the tilt angle of the absolute tilt angle sensor Q can be determined.
【0007】しかしながら、このような構造の絶対傾斜
角センサにあっても、検出感度を向上させるためには電
極面積を大きくしなければならず、感度を得ようとすれ
ば大型になりやすく、小型化が困難であった。However, even with an absolute tilt angle sensor having such a structure, the electrode area must be increased in order to improve the detection sensitivity. It was difficult to
【0008】図6に光学式の絶対傾斜角センサRを示す
。この絶対傾斜角センサRでは、回転板71と円盤72
を互いに回転自在に枢着させ、円盤72の偏心位置に重
り74を設けてある。したがって、回転板71が回転し
ても円盤72は重り74の重力によって静止している。
円盤72の縁部全周には、透光領域と不透明領域が一定
ピッチで交互に配置されたスケール部73が設けられて
おり、回転板の縁にはフォトインタラプタ等の光学式ス
ケール読み取り器75が設けられている。FIG. 6 shows an optical absolute tilt angle sensor R. In this absolute tilt angle sensor R, a rotary plate 71 and a disk 72
are rotatably pivotally connected to each other, and a weight 74 is provided at an eccentric position of the disk 72. Therefore, even if the rotating plate 71 rotates, the disk 72 remains stationary due to the gravity of the weight 74. A scale section 73 in which transparent areas and opaque areas are alternately arranged at a constant pitch is provided around the entire edge of the disk 72, and an optical scale reader 75 such as a photointerrupter is installed at the edge of the rotary plate. is provided.
【0009】しかして、回転板71が傾いてスケール読
み取り器75がスケール部73に沿って移動すると、ス
ケール読み取り器75によって移動ピッチが検出される
ので、傾斜角を知ることができる。[0009] When the rotary plate 71 is tilted and the scale reader 75 moves along the scale portion 73, the scale reader 75 detects the movement pitch, so that the angle of inclination can be determined.
【0010】この光学式の絶対傾斜角センサは、機械的
構成については図4の機械式の絶対傾斜角センサと実質
的に同一で、出力部分について光学的手段が用いられて
いるものである。このため、機械式の絶対傾斜角センサ
と同様、1方向の傾斜角しか検出できず、前後左右の2
方向の傾斜角を検出しようとすると、2つのセンサを向
きを変えて配置しなければならず、大型化になるという
欠点があった。This optical absolute tilt angle sensor has substantially the same mechanical construction as the mechanical absolute tilt angle sensor shown in FIG. 4, and uses optical means for its output portion. For this reason, like a mechanical absolute tilt angle sensor, it can only detect the tilt angle in one direction;
If an attempt is made to detect the inclination angle of a direction, two sensors must be placed in different directions, resulting in an increase in size.
【0011】[0011]
【発明が解決しようとする課題】本発明は、叙上の従来
例の欠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、単体で前後左右の2方向における傾斜角を検
出することができる小型の絶対傾斜角センサを提供する
ことにある。[Problems to be Solved by the Invention] The present invention has been made in view of the drawbacks of the conventional examples described above, and its purpose is to detect inclination angles in two directions, front, back, left, and right using a single device. The object of the present invention is to provide a small-sized absolute tilt angle sensor that can perform the following functions.
【0012】0012
【課題を解決するための手段】本発明の絶対傾斜角セン
サは、ダイヤフラムを介してベースにウエイト部を保持
させ、前記ダイヤフラムにその複数箇所の歪みを検出さ
せるための歪み検出素子を取り付けたことを特徴として
いる。[Means for Solving the Problems] The absolute inclination angle sensor of the present invention has a weight portion held on a base via a diaphragm, and a strain detection element is attached to the diaphragm to detect strain at a plurality of locations. It is characterized by
【0013】この場合、前記ベース、ダイヤフラム及び
ウエイト部をシリコン等の微細加工材料によって一体に
形成することができる。[0013] In this case, the base, diaphragm and weight portion can be integrally formed of a microfabricated material such as silicon.
【0014】また、ウエイト部は、容器状に形成し、そ
の中に高密度の液体を入れてもよい。[0014] Furthermore, the weight portion may be formed in the shape of a container, and a high-density liquid may be placed in the container.
【0015】さらに、歪み検出素子としては、ピエゾ抵
抗素子が好ましい。Furthermore, as the strain detection element, a piezoresistive element is preferable.
【0016】[0016]
【作用】ウエイト部は重力によって重力方向に引かれて
いるので、絶対傾斜角センサが傾斜するとベースとウエ
イト部の間のダイヤフラムがウエイト部の周囲で不均一
に歪む。この歪みを歪み検出素子によって検出すれば、
ベースの重力の方向に対する絶対傾斜角を求めることが
できる。[Operation] Since the weight part is pulled in the direction of gravity by gravity, when the absolute tilt angle sensor is tilted, the diaphragm between the base and the weight part is distorted non-uniformly around the weight part. If this distortion is detected by a distortion detection element,
The absolute tilt angle of the base relative to the direction of gravity can be determined.
【0017】しかも、ウエイト部はダイヤフラムを介し
てベースに吊られたような構造になっているので、絶対
傾斜角センサが傾斜するとウエイト部の重量によってダ
イヤフラムが前後左右に歪む。したがって、ダイヤフラ
ムに2方向の歪みを検出するのに必要な数の歪み検出素
子を取り付ければ、歪み検出素子からの出力信号により
前後左右の傾斜角を検出することができ、単体のセンサ
によって前後左右2方向の傾斜角を知ることができる。
さらに、単体のセンサで前後左右2方向の傾斜角を検出
できるため、小型化が可能である。Moreover, since the weight section is suspended from the base via the diaphragm, when the absolute tilt angle sensor is tilted, the diaphragm is distorted in the front, back, left and right directions due to the weight of the weight section. Therefore, by attaching the necessary number of strain detection elements to the diaphragm to detect strain in two directions, the tilt angles in the front, rear, left, and right directions can be detected using the output signals from the strain detection elements, and You can know the angle of inclination in two directions. Furthermore, since a single sensor can detect the tilt angle in two directions: front, rear, left, and right, miniaturization is possible.
【0018】特に、ベース、ダイヤフラム及びウエイト
部をシリコン等の微細加工材料によって一体に形成すれ
ば、半導体製造等に用いられている微細加工技術を用い
て製作することができるので、極めて微小な絶対傾斜角
センサを製造することができる。In particular, if the base, diaphragm, and weight part are integrally formed from a microfabricated material such as silicon, they can be manufactured using microfabrication technology used in semiconductor manufacturing, etc. A tilt angle sensor can be manufactured.
【0019】また、容器状をしたウエイト部に高密度の
液体を入れた構成とすれば、液体の重量によってダイヤ
フラムの歪みを大きくできるのはもちろん、絶対傾斜角
センサが傾いた時にウエイト部内で液体が下方へ片寄る
ことによってダイヤフラムの歪みが増幅されるので、信
号感度を大きく向上させることができる。Furthermore, if the container-shaped weight part is filled with a high-density liquid, the distortion of the diaphragm can be increased due to the weight of the liquid, and when the absolute tilt angle sensor is tilted, the liquid inside the weight part is Since the distortion of the diaphragm is amplified by shifting downward, signal sensitivity can be greatly improved.
【0020】[0020]
【実施例】以下、本発明の実施例を添付図に基づいて詳
述する。図1に本発明の一実施例の絶対傾斜角センサA
の断面図を示し、図2にその平面図を示す。1はシリコ
ン基板等からなるベース1であって、ベース1の中央部
にはウエットエッチングやドライエッチング等の微細加
工技術を用いてダイヤフラム2と容器状をしたウエイト
部3が形成されている。すなわち、ウエイト部3は、微
小変形可能な薄肉のダイヤフラム2によって微小変位可
能に支持されている。この実施例では、図2に示すよう
に、ウエイト部3の変位を大きくするためウエイト部3
とベース1との間で4箇所に開口7をあけ、開口7の中
間でベース1とウエイト部3の間にダイヤフラム2を掛
け渡してある。ウエイト部3の内部には、ダイヤフラム
2の歪みを大きくするため、水銀等の高密度の液体4を
溜めている。また、各ダイヤフラム2の上面には歪み検
出素子としてピエゾ抵抗素子5a,5b,5c,5dを
貼り付け、もしくは埋め込んである。さらに、ダイヤフ
ラム2及びウエイト部3の上方は、キャップ6より覆っ
ている。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Examples of the present invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 shows an absolute tilt angle sensor A according to an embodiment of the present invention.
A cross-sectional view is shown in FIG. 2, and a plan view thereof is shown in FIG. Reference numeral 1 denotes a base 1 made of a silicon substrate or the like, and a diaphragm 2 and a container-shaped weight part 3 are formed in the center of the base 1 using a microfabrication technique such as wet etching or dry etching. That is, the weight portion 3 is supported by a thin diaphragm 2 that can be slightly deformed. In this embodiment, as shown in FIG. 2, in order to increase the displacement of the weight part 3, the weight part 3 is
Openings 7 are formed at four locations between the base 1 and the base 1, and the diaphragm 2 is stretched between the base 1 and the weight part 3 in the middle of the openings 7. A high-density liquid 4 such as mercury is stored inside the weight part 3 in order to increase the distortion of the diaphragm 2. Furthermore, piezoresistive elements 5a, 5b, 5c, and 5d are attached or embedded on the upper surface of each diaphragm 2 as strain detection elements. Further, the upper portions of the diaphragm 2 and the weight portion 3 are covered by a cap 6.
【0021】しかして、この絶対傾斜角センサAが、図
3(a)に示すように水平な状態にある場合には、水銀
等の液体4に加わる重力によって各ダイヤフラム2には
下向きの力が加わる。この時、各ダイヤフラム2にかか
る力は同じであるから、各ピエゾ抵抗素子5a,5b,
5c,5dが検出する各ダイヤフラム2の歪みないし変
形量には差がなく、各ピエゾ抵抗素子5a,5b,5c
,5dからは同じ電気的信号が出力される。これに対し
、絶対傾斜角センサAが傾斜すると、液体4にかかる重
力によって各ダイヤフラム2が不均一に歪み、しかも図
3(b)に示すようにウエイト部3内の液体4が下側に
片寄り、液体4の片寄りによって各ダイヤフラム2の歪
みが増幅される。この各ダイヤフラム2の歪みを目的と
する方向のピエゾ抵抗素子5a,5b(または、5c,
5d)の電気信号の変化として取り出せば(例えば、対
向するピエゾ抵抗素子の電気信号の差分を得る。)、絶
対傾斜角センサAの重力方向に対する傾斜角を高精度に
計測できる。When the absolute inclination angle sensor A is in a horizontal state as shown in FIG. join. At this time, since the force applied to each diaphragm 2 is the same, each piezoresistive element 5a, 5b,
There is no difference in the amount of distortion or deformation of each diaphragm 2 detected by 5c and 5d, and each piezoresistive element 5a, 5b, 5c
, 5d output the same electrical signal. On the other hand, when the absolute tilt angle sensor A is tilted, each diaphragm 2 is distorted unevenly due to the gravity applied to the liquid 4, and moreover, the liquid 4 in the weight part 3 is tilted downward. The distortion of each diaphragm 2 is amplified by the liquid 4 being shifted to one side. Piezoresistive elements 5a, 5b (or 5c,
5d), the inclination angle of the absolute inclination angle sensor A with respect to the direction of gravity can be measured with high precision.
【0022】なお、好適な実施例について説明したが、
本発明の実施例としては、これ以外の具体的構成も可能
である。例えば、上記実施例では、ダイヤフラム間に開
口を設けているが、開口がなくてもダイヤフラムの厚み
を薄くすることによってダイヤフラムの歪みを大きくす
ることができる。また、上記実施例では、ウエイト部3
に水銀等の高密度の液体を入れたが、ウエイト部の内外
面に金属厚膜を形成することにより、あるいは金属等の
固体の重りをウエイト部に納めることによりウエイト部
の重量を増してもよい。また、ウエイト部自体の厚み等
を大きくして重量を大きくしてもよい。さらに、ピエゾ
抵抗素子を対向する2箇所のダイヤフラム部のみに設け
ておけば、前後もしくは左右等の1方向における傾斜角
だけを検出できるようにすることができる。Although the preferred embodiment has been described,
Other specific configurations are also possible as embodiments of the present invention. For example, in the above embodiment, an opening is provided between the diaphragms, but even without an opening, the distortion of the diaphragm can be increased by reducing the thickness of the diaphragm. Further, in the above embodiment, the weight part 3
Although a high-density liquid such as mercury is placed in the weight part, it is not possible to increase the weight of the weight part by forming a thick metal film on the inner and outer surfaces of the weight part, or by placing a solid weight such as metal in the weight part. good. Further, the weight may be increased by increasing the thickness of the weight portion itself. Furthermore, by providing piezoresistive elements only in two opposing diaphragm portions, it is possible to detect only the angle of inclination in one direction, such as front and back or left and right.
【0023】この絶対傾斜角センサの用途としては、例
えば以下のような用途が考えられる。■自動車に搭載し
、自動車の傾きを絶対傾斜角センサで検知することによ
り、最適なサスペンション動作の制御等を行なわせる。
■農耕大型機器に搭載し、作業中における農耕大型機器
の傾きを絶対傾斜角センサで検知し、安全性及び作業性
を向上させる。■さらには、通信衛星との交信を用いる
ナビゲーションシステムにおいて、絶対傾斜角センサに
より地上や海面に対する自動車や船舶の傾きを知り、ア
ンテナが正確に通信衛星の方向を向くようアンテナの傾
きを制御する。[0023] Possible uses of this absolute inclination angle sensor include, for example, the following uses. ■It is installed in a car and detects the inclination of the car using an absolute inclination angle sensor, allowing optimal suspension operation control, etc. ■Installed on large agricultural equipment, the absolute tilt angle sensor detects the inclination of large agricultural equipment during work, improving safety and work efficiency. Furthermore, in navigation systems that use communication with communication satellites, absolute inclination angle sensors are used to determine the inclination of a car or ship relative to the ground or sea surface, and control the inclination of the antenna so that it points accurately in the direction of the communication satellite.
【0024】[0024]
【発明の効果】本発明によれば、1つのセンサによって
前後左右2方向の傾斜角を検出することができ、絶対傾
斜角センサを小型化することができる。さらに、シリコ
ン等の微細加工材料を用いる製作すれば、極めて微小な
絶対傾斜角センサを得ることができる。また、ウエイト
部内に高密度の液体を入れておけば、敏感な絶対傾斜角
センサを製作できる。According to the present invention, inclination angles in two directions (front, rear, left, and right) can be detected with one sensor, and the absolute inclination angle sensor can be miniaturized. Furthermore, by manufacturing using a microfabricated material such as silicon, an extremely small absolute tilt angle sensor can be obtained. In addition, if a high-density liquid is placed inside the weight part, a sensitive absolute tilt angle sensor can be manufactured.
【図1】本発明の一実施例を示す断面図である。FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of the present invention.
【図2】同上の実施例の平面図である。FIG. 2 is a plan view of the embodiment same as above.
【図3】(a)は同上の実施例の水平な状態における作
用説明図、(b)は傾斜した状態における作用説明図で
ある。FIG. 3(a) is an explanatory diagram of the operation of the above embodiment in a horizontal state, and FIG. 3(b) is an explanatory diagram of the operation in an inclined state.
【図4】従来例の作用説明図であって、(a)は水平な
状態における断面図、(b)は傾斜した状態における断
面図である。FIG. 4 is an explanatory view of the operation of the conventional example, in which (a) is a sectional view in a horizontal state, and (b) is a sectional view in an inclined state.
【図5】異なる従来例の作用説明図であって、(a)は
水平な状態における断面図、(b)は傾斜した状態にお
ける断面図である。FIG. 5 is an explanatory view of the operation of different conventional examples, in which (a) is a sectional view in a horizontal state, and (b) is a sectional view in an inclined state.
【図6】さらに別な従来例の構成を示す正面図である。FIG. 6 is a front view showing the configuration of yet another conventional example.
1 ベース 2 ダイヤフラム 3 ウエイト部 4 液体 1 Base 2 Diaphragm 3 Weight section 4. Liquid
Claims (4)
ト部を保持させ、前記ダイヤフラムにその複数箇所の歪
みを検出させるための歪み検出素子を取り付けたことを
特徴とする絶対傾斜角センサ。1. An absolute tilt angle sensor, characterized in that a weight part is held on a base via a diaphragm, and a distortion detection element is attached to the diaphragm to detect distortions at a plurality of locations on the diaphragm.
ト部をシリコン等の微細加工材料によって一体に形成し
たことを特徴とする請求項1の絶対傾斜角センサ。2. The absolute tilt angle sensor according to claim 1, wherein the base, diaphragm, and weight portion are integrally formed of a microfabricated material such as silicon.
エイト部内に高密度の液体を入れたことを特徴とする請
求項2又は3に記載の絶対傾斜角センサ。3. The absolute tilt angle sensor according to claim 2, wherein the weight part is formed into a container shape, and a high-density liquid is placed inside the weight part.
あることを特徴とする請求項1、2又は3に記載の絶対
傾斜角センサ。4. The absolute tilt angle sensor according to claim 1, wherein the strain detection element is a piezoresistive element.
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JP4134091A JPH04258713A (en) | 1991-02-12 | 1991-02-12 | Absolute tilt angle sensor |
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JP4134091A JPH04258713A (en) | 1991-02-12 | 1991-02-12 | Absolute tilt angle sensor |
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JPH04258713A true JPH04258713A (en) | 1992-09-14 |
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JP4134091A Pending JPH04258713A (en) | 1991-02-12 | 1991-02-12 | Absolute tilt angle sensor |
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Country | Link |
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JP (1) | JPH04258713A (en) |
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