CN110244082B - 物理量传感器、物理量传感器装置以及倾斜仪 - Google Patents

物理量传感器、物理量传感器装置以及倾斜仪 Download PDF

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Abstract

本申请提供物理量传感器、物理量传感器装置以及倾斜仪，其能够降低或防止在制造时或者因不同材料的热膨胀系数差而产生的应力应变对物理量检测信号产生不良影响。一种物理量传感器，具有基部、至少两个臂部、可动部、缩窄部以及物理量检测元件，在俯视观察下，固定区域配置于由第一直线划分而成的第一区域和第二区域，第一直线沿着横跨缩窄部的方向通过物理量检测元件的中心，并且，在俯视观察下，在由第一直线和第二直线划分而成的四个区域中，位于比第二直线更靠基部侧的第一区域的第三区域以及位于比第二直线更靠基部侧的第二区域的第四区域中的至少一方中没有配置固定区域，第二直线在缩窄部上通过且与第一直线正交。

Description

物理量传感器、物理量传感器装置以及倾斜仪
技术领域
本发明涉及物理量传感器、物理量传感器装置、使用了物理量传感器装置的倾斜仪、惯性计测装置、结构物监视装置及移动体等。
背景技术
专利文献1中记载了一种加速度检测装置，其具备由硅半导体晶片构成的底座(基座)和上部电极、以及介于底座与上部电极之间并具有能够以支点部为中心弯曲的自由端部的悬臂。
专利文献1：日本特开2000-65856号公报
然而，在专利文献1记载的加速度检测装置中，存在如下问题：由于加速度检测部的外周全部被固定，所以当将加速度检测装置安装在了印刷基板上时产生的由印刷基板与加速度检测装置的不同材料之间引起的热膨胀系数差所导致的应力应变会经由装置的容器传递到与容器刚性固定的物理量检测元件。
发明内容
本发明是为了解决上述技术问题的至少一部分而做出的，可以作为以下的方面或应用例而实现。
(1)本发明的一方面涉及一种物理量传感器，其包括：基部；可动部，与所述基部连接；第一臂部，连结于所述基部；第二臂部，连结于所述基部；以及物理量检测元件，安装于所述基部和所述可动部，检测由在连接所述基部与所述可动部的方向上产生的应力引起的物理量，所述第一臂部配置于与连接所述基部和所述可动部的第一方向正交的第二方向上的一侧的第一区域，并且在相比基部侧更靠可动部侧设置有固定区域，所述第二臂部配置于所述第二方向上的另一侧的第二区域，并且在所述可动部侧和所述基部侧中的至少任一方的区域中设置有固定区域，在所述第一区域的位于所述基部侧的第三区域和所述第二区域的位于所述基部侧的第四区域中的至少一方中未配置有固定区域。
(2)在本发明的一方面(1)中，其特征在于，所述第二臂部的所述固定区域配置在所述基部侧。
(3)在本发明的一方面(1)中，其特征在于，所述第二臂部的所述固定区域配置在所述可动部侧。
(4)在本发明的一方面(3)中，其特征在于，包括连结于所述基部的第三臂部，所述第三臂部在所述第三区域和所述第四区域中的任一方中设有固定区域。
(5)在本发明的一方面(1)中，其特征在于，包括与所述基部连结的第三臂部，所述第三臂部在所述第一区域至所述第四区域中的未配置所述固定区域的至少一个区域中，在与安装有所述物理量检测元件的面相反一侧的面设有突起。
(6)在本发明的一方面(1)中，其特征在于，在所述固定区域设有填充粘接剂的槽。
(7)在本发明的一方面(1)中，其特征在于，所述基部与所述可动部通过缩窄部而连接。
(8)一种物理量传感器装置，其特征在于，在本发明的一方面(1)中包括安装有所述物理量传感器的基台，所述固定区域安装于所述基台。
(9)在本发明的一方面(8)中，其特征在于，包括电路基板，并且包括三个所述物理量传感器，三个所述物理量传感器以各自的检测轴与正交的三轴各自一致的方式安装于所述电路基板。
(10)在本发明的另一方面(8)或(9)中，其特征在于，所述物理量是加速度。
(11)本发明的又一方面涉及一种倾斜仪，包括：上述(10)所述的物理量传感器装置；以及计算部，根据来自安装于结构体的所述物理量传感器装置的输出信号，计算所述结构体的倾斜角度。
(12)本发明的又一方面涉及一种结构物监视装置，包括：上述(10)所述的物理量传感器装置；接收部，接收来自安装于结构物的所述物理量传感器装置的检测信号；以及计算部，根据从所述接收部输出的信号，计算所述结构物的倾斜角度。
(13)本发明的又一方面涉及一种移动体，包括：上述(10)所述的物理量传感器装置；以及控制部，根据由所述物理量传感器装置检测出的检测信号，控制加速、制动及转向中至少任一方，自动驾驶的实施或不实施根据来自所述物理量传感器装置的检测信号的变化进行切换。
附图说明
图1是本发明的一实施方式涉及的物理量传感器的传感器部的立体图。
图2是本发明的一实施方式涉及的物理量传感器装置的剖视图。
图3是本发明的一实施方式涉及的三轴物理量传感器装置的分解组装立体图。
图4是示出三轴物理量传感器装置的另一示例的分解组装立体图。
图5是示出本发明的第一实施方式涉及的固定区域的配置的平面图。
图6是示出本发明的第二实施方式涉及的固定区域的配置的平面图。
图7是示出本发明的第三实施方式涉及的固定区域的配置的平面图。
图8是示出物理量传感器装置的温度特性的特性图。
图9是示出设于第三臂部的突起的图。
图10是示出臂部与基台的接合的另一示例的图。
图11是示出臂部与基台的接合的又一示例的图。
图12是示出具有物理量传感器装置的倾斜仪的图。
图13是具有物理量传感器装置的倾斜仪的框图。
图14是说明倾斜角的计算例的图。
图15是示出具有物理量传感器装置的惯性计测装置的图。
图16是惯性计测装置的框图。
图17是示出具有物理量传感器装置的结构物监视装置的图。
图18是结构物监视装置的框图。
图19是示出具有物理量传感器装置的移动体的图。
图20是移动体的框图。
具体实施方式
下面，对本发明的优选实施方式进行详细说明。需要注意的是，下面说明的本实施方式不对权利要求书中记载的本发明的内容进行不当限定，本实施方式中说明的结构并非全部都必须作为本发明的解决手段。
1.物理量传感器及物理量传感器装置的概要
图1示出物理量传感器10。物理量传感器10包括：基部20；至少两个、例如三个的第一臂部31、第二臂部32、第三臂部33；可动部40；缩窄部50；以及物理量检测元件60。
第一臂部31、第二臂部32、第三臂部33的基端部连结于基部20，优选在第一臂部31、第二臂部32、第三臂部33的自由端部侧分别设有固定区域31A、固定区域32A、固定区域33A。作为连接部的缩窄部50配置于基部20与可动部40之间，并连接基部20与可动部40。物理量检测元件60例如由双音叉型的石英谐振器构成，检测例如作为物理量的加速度、压力。物理量检测元件60在从基部20的厚度方向观察的俯视观察时，跨越缩窄部50而配置，并经由粘接剂等接合部61(参照图2)而安装于基部20和可动部40。另外，在以缩窄部50为支点的作为悬臂的可动部40的自由端部侧可以配置例如由金属(SUS、铜等)形成的配重(质量部)70。配重70并不限于如图1所示那样设置于可动部40的表面侧，也可以设置于可动部40的背面侧(参照图2)。如图1及图2所示，配重70通过粘接剂等接合部71而安装于可动部40。需要注意的是，图1所示的配重70与可动部40一起上下运动，但配重70的两个端部70A、70B作为通过与图1所示的第一臂部31、第二臂部32接触来防止过度的振幅的止动件发挥作用。
这里，以缩窄部50为支点，可动部14与诸如加速度、压力等物理量相应地发生位移，由此在安装于基部20与可动部40的物理量检测元件60中产生应力。与加到物理量检测元件60的应力相应地，物理量检测元件60的振动频率(共振频率)发生变化。基于该振动频率的变化，能够检测物理量。
图2是示出内置有图1的物理量传感器10的物理量传感器装置100的剖视图。物理量传感器装置100具有搭载物理量传感器10的基台110。在本实施方式中，基台110构成为包括底壁110A与侧壁110B的封装基座。基台110与盖体120一起形成收容物理量传感器10的封装。盖体120借助粘接剂121接合到基台110的开口端。
在基台110的底壁110A上，沿着四个侧壁110B中的例如三个侧壁110B设置有比底壁110A的内表面110A1高一阶的台阶部112。台阶部112既可以从侧壁110B的内表面突起，也可以与基台110一体或分体，是构成基台110的一部分。如图2所示，物理量传感器10通过粘接剂113固定于台阶部112。这里，粘接剂113优选使用弹性模量高的树脂类(例如环氧树脂)粘接剂。这是因为，低熔点玻璃等粘接剂硬，因此不能吸收接合时产生的应力应变，对物理量检测元件60产生不良影响。需要注意的是，关于物理量传感器10固定到台阶部112的固定区域31A～33A的位置，稍后使用图1及图5～图7进行说明。
在本实施方式中，如图1所示，物理量检测元件60可以通过引线接合62、62，与形成于台阶部112的电极(例如金电极)连接。该情形下，无需在基部20上形成电极图案。不过，也可以不采用引线接合62、62，而是通过导电性粘接剂将也设置于基部20的电极图案连接到形成在基台110的台阶部112上的电极。
在基台110的底壁110A的外表面(与内表面110A1相反一侧的面)110A2设有在安装到图3所示的电子电路基板210A上时使用的外部端子114。外部端子114经由未图示的配线、电极等与物理量检测元件60电连接。
例如，在底壁110A设有密封部115，密封部115对由基台110和盖体120形成的封装的内部(空腔)130进行密封。密封部115设置在形成于基台110的贯通孔116内。通过在贯通孔116中配置密封材料并加热熔融密封材料后使其固化而设置密封部115。密封部115设置成用于气密地密封封装的内部。
图3是包括三个单轴物理量传感器装置100的三轴物理量传感器装置200A的组装分解立体图。在图3中，在电子电路基板210A上安装有三个物理量传感器装置100。三个单轴物理量传感器装置100的检测轴沿正交的三轴设置，以检测三轴的物理量。电路基板210A与连接器基板220A电连接。这些电路基板210A及连接器基板220A收容保持在由封装基座230A和盖体240A形成的封装中。
图4示出了与图3不同的三轴物理量传感器装置200B。在图3中，电路基板210A和连接器基板220A并排设置在同一平面上，在图4中，电路基板220B和连接器基板220B在上下方向上并排设置。在图4中，电路基板210A及连接器基板220B也是收容保持在由封装基座230B和盖体240B形成的封装中。
2.物理量传感器相对于基台的固定位置
2.1.第一实施方式
在图1中，在三个臂部31～33中示出了固定在设置于基台110的局部的台阶部112上的各一个的固定区域31A～33A。在图1中，对于固定区域31A～33A，俯视示出了固定到台阶部112的位置。在本实施方式中，图1所示的三个臂部31～33的背面(与固定物理量检测元件60一侧的面相反侧的面)上的固定区域31A～33A固定在台阶部112上。
这里，参照俯视观察物理量传感器10的图5，对图1所示的固定区域31A～33A的位置进行说明。在图5中，将沿着横跨缩窄部50的方向通过物理量检测元件60的中心的直线L1称作第一直线。将由该第一直线L1划分出的两个区域称作第一区域A1及第二区域A2。在图5中，将第一直线L1的左侧称作第一区域A1，将其右侧称作第二区域。不过，在图5中，也可以将第一直线L1的右侧称作第一区域，将其左侧称作第二区域。在本实施方式中，固定区域31A配置在第一区域A1中，固定区域32A、33A配置在第二区域A2中。
在图5中，将在缩窄部50上通过且与第一直线L1正交的直线L2称作第二直线。通过该正交双轴的第一直线L1(第一方向)及第二直线L2(第二方向)划分出属于第一象限至第四象限的各区域的四个区域B11、B12、B21、B22。另外，将第二直线L2的图5所示的C1侧称作物理量检测元件60的“基部侧”。同样地，将第二直线L2的图5所示的C2侧称作“可动部侧”。另外，将位于第一区域A1且比第二直线L2更靠基部侧(C1侧)的区域B22称作第三区域B22。将位于第二区域A2且比第二直线L2更靠基部侧(C1侧)的区域B12称作第四区域B12。
在图5所示的实施方式中，固定区域31A配置在第一区域A1的可动部侧(C2侧)的区域B21中。固定区域32A配置在第二区域A2的可动部侧(C2侧)的区域B11中。固定区域33A配置在第二区域A2的基部侧(C1侧)的区域(第四区域)B12中。也就是说，在图5所示的实施方式中，并非在第三区域B22及第四区域B12两者中都设置固定区域，在图5中，在第三区域B22中没有设置固定区域。
这里，在本实施方式中，没有如专利文献1那样使之为全周固定、而是设置了连结到基部20的第一臂部31至第三臂部33的原因是为了赋予局部固定的第一臂部31至第三臂部33变形的自由度，使应力集中到第一臂部31至第三臂部33，通过第一臂部31至第三臂部33的变形来吸收应力应变。若通过第一臂部31至第三臂部33的变形来吸收应力应变，则能够降低或防止应力应变传递到物理量检测元件60。物理量检测元件60通过例如由于加速度引起的应力而在物理量检测元件60中产生的物理量检测信息的变化来检测物理量。当由于本应避免的原因(制造时的机械过载、彼此连结的不同材料间的热膨胀系数差)而产生的应力应变作用于物理量检测元件60时，物理量检测信息也因此发生变化，检测精度变差。与此相对地，在本实施方式中，能够提高检测精度。
在本实施方式中，并非全周固定，而是采用使用了容易变形的臂部的局部固定，加之还限制该局部固定区域的位置，从而进一步降低应力应变的不良影响。在图5中，在第四象限的区域B22中没有设置固定区域。由此，与在第一至第四象限的全部区域B11、B12、B21、B22进行局部固定相比，第一臂部31至第三臂部33的变形自由度进一步提高，由此能够吸收应力应变。特别是，由于在作为第二直线L2的基部侧(C1侧)的第三区域B22中没有设置固定区域，因此基部20也变得易于变形，能够有效地减少应力应变作用到物理量检测元件60。出于这个原因，也可以代替第四区域B12而在第三区域B22中设置图5所示的固定区域33A。这是因为，不管在哪种情况下，都在第三区域B22及第四区域B12任一方中没有配置固定区域。
2.2.第二实施方式
图6示出了具有图5所示的固定区域31A、33A但不具有固定区域32A的第二实施方式。也就是说，图6所示的固定区域由配置在位于比第二直线L2更靠可动部侧(C2侧)的第一区域A1的区域(称作第五区域)B21中的固定区域(称作第一固定区域)31A以及配置在位于比第二直线L2更靠基部侧(C1侧)的第二区域A2的区域(称作第六区域)B12中的固定区域(称作第二固定区域)33A构成。这样，从图5所示的三点支撑变为两点支撑，第一臂部31、第三臂部33及基部20的变形的自由度进一步提高。不过，由于第一固定区域31A、第二固定区域33A设置在位于对角位置的第二、第三象限的区域B12、B21中，因此能够稳定地支撑物理量传感器10。出于这个原因，即使第一、第二固定区域设置在位于对角位置的第一、第四象限的区域B11、B22中，也能够获得同样的效果。
2.3.第三实施方式
图7示出了具有图5所示的固定区域31A、32A但不具有固定区域33A的第三实施方式。也就是说，图7所示的固定区域由配置在位于比第二直线L2更靠可动部侧(C2侧)的第一区域A1的区域(称作第五区域)B21中的固定区域(称作第一固定区域)31A以及配置在位于比第二直线L2更靠可动部侧(C2侧)的第二区域A2的区域(称作第六区域)B11中的固定区域(称作第二固定区域)32A构成。这样，也从图5所示的三点支撑变为两点支撑，第一臂部31、第二臂部32的变形自由度进一步提高。该情形下，由于第一固定区域31A、第二固定区域32A配置在第一区域A1与第二区域A2中，因此能够稳定地支撑物理量传感器10。
3.第一实施方式、第二实施方式及第三实施方式的评估
为了评估由于非预期的原因引起的应力应变是否作用于物理量检测元件60，如以下的表1所示，可以评估物理量检测元件60的温度特性的变化(温度特性中的平均顶点的位置变化)、再现性、滞后。这里，下述表1中的比较例1、2是在图5～图7所示的第一至第四象限的四个区域B11、B12、B21、B22中配置有固定区域。相比于比较例1，比较例2使臂部更粗，提高了臂部的刚性。表1中的比较例3在位于图5～图7所示的第二、第四象限的区域B12、B22的两处配置有固定区域。比较例1～3均是在位于比第二直线L2更靠基部侧(C1侧)的两个区域B12、B22中分别具有固定区域，这一点与本发明的第一至第三实施方式不同。
[表1]
再现性 滞后 平均顶点温度
石英谐振器自身 0.1mG 0.1mG 25.2℃
比较例1 0.8mG 0.5mG 5.3℃
比较例2 1.6mG 4.5mG -31.4℃
比较例3 2.1mG 1.2mG -38.3℃
第三实施方式 0.1mG 0.2mG 25.3℃
第二实施方式 0.2mG 0.4mG 25.3℃
第一实施方式 -0.1mG -0.2mG 23.2℃
3.1.温度特性
图8示出了作为物理量检测元件60的一例的石英谐振器的温度特性。图8的纵轴是频率的变化量(df/f)，横轴是温度(℃)。特性K0示出没有作用应力应变的石英谐振器的固有的温度特性。特性K0是基于石英的杨氏模量的固有的温度特性，顶点温度为25.2℃(也参照表1)。
图8中的特性K1、K2是表1中的比较例1、2的特性。当由于热膨胀系数差等的影响，应力作用在石英谐振器上时，图8中的温度特性K1、K2倾斜，顶点温度向负方向变动。由于特性K2与特性K1相比，臂部的刚性更高，吸收应力应变的效果更小，因此斜率更大。
如表1所示，可知比较例1～3的平均顶点温度相比石英固有的顶点温度25.2℃大大地向负侧变动。另一方面，在本发明的第一至第三实施方式中，平均顶点温度保持在石英固有的顶点温度25.2℃附近。由此可知，在位于比第二直线L2更靠基部侧(C1侧)的区域B12、B22中至少一方不具有固定区域的本发明的第一至第三实施方式中，减少了作用于物理量检测元件60的不必要的应力。
3.2.再现性
表1所示的“再现性”是以偏移的加速度的大小(mG)来表示当温度升高或降低时由物理量检测元件60检测到的物理量(表1中的加速度)在起点与终点偏移多少。示出了朝正方向或负方向偏移的绝对值越大，再现性越差。可以看出，温度漂移小的本发明的第一至第三实施方式在再现性方面优于温度漂移大的比较例1～3。
3.3.滞后
表1所示的“滞后”是以偏移的加速度的大小(mG)来表示当温度升高或降低时由物理量检测元件60检测到的物理量(表1中的加速度)的偏移的最大值。可以看出，温度漂移小的本发明的第一至第三实施方式在滞后方面也优于温度漂移大的比较例1～3。
还对上述温度特性、再现性及滞后以外的其它评估项目进行了研究。
3.4.组装时的稳定性
如图5所示，如果存在三个固定区域31A～33A，由于是三点支撑于图2所示的基台110的台阶部112，所以能够将物理量传感器10稳定地载置于台阶部112。另一方面，在图6及图7中，由于是通过两个固定区域进行两点支撑，所以载置于台阶部112进行组装时的稳定性差。由此，在图5～图7的实施方式、特别是图6及图7的实施方式中，可以如图9所示那样进一步设置与基部20连结的第三臂部34。第三臂部34可以在俯视观察下在四个区域B11、B12、B21、B22中的未配置固定区域的至少一个区域中，包括形成于与连接物理量检测元件60的面相反一侧的面的突起34A。突起34A的高度H与图2所示的接合部(粘接剂)113的厚度T实质上相等。由此，当将物理量传感器10载置于了基台110上时，形成为两个固定区域与突起34A的三点支撑，改善组装时的稳定性。不过，突起34A不与台阶部112接合。
3.5.抗冲击性
根据物理量传感器10的用途还要求抗冲击性。为了提高抗冲击性，考虑提高臂部的刚性。与比较例1相比提高了臂部刚性的比较例2的特性劣化，由此可知，确保抗冲击性与提高物理量传感器10的温度特性具有自相矛盾性。在本发明的第一至第三实施方式中，即使提高臂部刚性来确保抗冲击性，与比较例1～3相比，也可以抑制物理量传感器10的温度特性变差。
如上所述，在本发明的第一至第三实施方式中，在具有图1所示的基部20、至少两个臂部(31A～33A、31A和32A、31A和33A中任一组合)、可动部40、缩窄部50以及物理量检测元件60的物理量传感器10中，图5～图7所示的固定区域(31A～33A)在俯视观察下配置于由沿着横跨缩窄部50的方向通过物理量检测元件60的中心的第一直线L1划分出的第一区域A1和第二区域A2，并且，在俯视观察下，在由第一直线L1以及在缩窄部50上通过且与第一直线L1正交的第二直线L2划分出的四个区域(B11、B12、B21、B22)中，位于比第二直线L2更靠基部侧(C1侧)的第一区域A1的第三区域B22和位于比第二直线L2更靠基部侧(C1侧)的第二区域A2的第四区域B12中的至少一方中未配置有图5～图7所示的固定区域(31A～33A)。由此，减少由于本应避免的原因(制造时的机械过载、彼此连结的不同材料间的热膨胀系数差)而产生的应力应变作用于物理量检测元件60。这样，能够提供一种表1所示的再现性、滞后、温度特性(平均顶点温度的偏移)优异的物理量传感器10以及将其搭载于基台110而成的物理量传感器装置100。
3.6.物理量传感器与基台的接合
在本实施方式中，物理量传感器10的物理量检测元件60可以通过图1所示的引线接合62、62而与形成在台阶部112上的电极连接。这是因为，由于上述应力应变不作用于物理量检测元件60，所以无需担心引线接合62、62断线。通过使用引线接合62、62，不需要借助导电性粘接剂将设于基部20的电极图案与台阶部112上的金电极连接。由于金在高温下分子间作用力减少，所以金电极与导电性粘接剂之间的粘接容易剥离，但如果使用引线接合62、62则可以消除这种弊端。
如上所述，物理量传感器10的第一固定区域31A至第三固定区域33A与基台110的台阶部112通过粘接剂、优选通过树脂类粘接剂113而接合。该情形下，可以采用图10或图11所示的接合。
在图10中，在第一臂部31至第三臂部33中，对作为基材的例如石英进行半蚀刻，使自由端部的厚度变薄。在图11中，在第一臂部31至第三臂部33中，通过掩模等对作为基材的例如石英进行局部蚀刻，在自由端部形成槽。在图10及图11中，树脂类粘接剂113填充于第一臂部31至第三臂部33的自由端部与台阶部112及侧壁110B之间的间隙中。由此，粘接面积增大，强度增加。在图10中，由于当将物理量传感器10安装于基台110时不易产生旋转、位置偏离等，因此进一步改善组装操作性。
4.使用了物理量传感器装置的设备
下面，参照图12～图20，对使用了具有上述结构的物理量传感器装置的设备进行说明。
4.1.倾斜仪
图12是示出倾斜仪的结构例的图，并且是局部剖切显示的侧视图。
倾斜仪300是输出与设置位置的倾斜角度相应的信号的装置。具体地，倾斜仪300在由下壳体301和上壳体302划分出的内部空间内具有：具备第一实施方式的物理量传感器装置200A(200B)的结构的物理量传感器装置310、根据物理量传感器装置310的输出信号计算倾斜角度的倾斜计算部330、以及将与由倾斜计算部330计算出的倾斜角度相应的信号向外部输出的外部输出端子332。倾斜仪300可以适当地包含这些以外的其它构成部分。例如，可以包含内置电池、电源电路、无线装置等。
倾斜计算部330是根据物理量传感器装置310的输出信号运算倾斜角度并输出与倾斜角度相应的信号的电路，可以通过例如通用IC(Integrated Circuit：集成电路)、FPGA(Field Programmable Gate Array：现场可编程门阵列)等来实现。
从物理量传感器装置310输出例如作为正交三轴的x、y、z轴方向的加速度。倾斜仪300根据x、y、z轴方向的加速度，计测x、y、z轴的倾斜角(x、y、z轴与水平面所成的角)。例如，有时倾斜仪300以x轴朝向船舶的船头方向、y轴朝向船舶的左舷方向、z轴朝向与地面垂直的方向的方式安装在船舶的重心附近的地面上。
如图13所示，可以在物理量传感器装置310与倾斜计算部330之间包括校正部320。校正部320对从物理量传感器装置310输出的x、y、z轴方向的加速度进行校正。例如，校正部320进行从物理量传感器装置310输出的x、y、z轴方向的加速度的准线校正、偏移校正、温度漂移校正等。需要注意的是，在从物理量传感器装置310输出的加速度的准线、偏移、温度漂移等较小的情况下，也可以省略校正部320。
倾斜计算部330(相当于本发明的计算部)可以根据通过校正部320校正后的x、y、z轴方向的加速度，计算各轴相对于水平面的斜率。
图14是说明倾斜角的计算例的图。图14所示的“x’”表示与水平方向平行的轴，“z’”表示与重力方向平行的轴。“x”表示物理量传感器装置310的x轴。“z”表示物理量传感器装置310的z轴。需要注意的是，物理量传感器装置310的“y”轴朝向纸面的背面方向。另外，重力加速度的方向在图14中朝上。
如图14所示，物理量传感器装置310的x轴以y轴为旋转轴倾斜角度“θx”。此时，若将从加速度传感器11输出的x轴方向的加速度(重力加速度分量)设为“ax”，则以下的式(1)成立。
Figure BDA0001987791670000141
式(1)所示的“1G”是重力加速度，且“1G＝9.80665m/s2”。
根据式(1)，x轴相对于水平方向的斜率“θx”由以下的式(2)表示。
Figure BDA0001987791670000142
同样地，y、z轴相对于水平方向的斜率“θy”及“θz”由以下的式(3)及式(4)表示。
Figure BDA0001987791670000151
Figure BDA0001987791670000152
式(3)的“ay”是y轴方向的加速度，式(4)的“az”是z轴方向的加速度。
即，倾斜计算部330根据从校正部320输出的x、y、z轴方向的加速度“ax”、“ay”和“az”以及重力加速度“1G”，执行式(2)～式(4)所示的运算，从而计算x、y、z轴相对于水平方向的倾斜角。
需要注意的是，倾斜计算部330也可以使用在倾斜仪300中预先设定(存储)的重力加速度(1G)来计算各轴的倾斜角。该情况下，在倾斜仪300中设定的重力加速度的值也可以考虑使用倾斜仪300的纬度。
另外，倾斜计算部330也可以根据从校正部320输出的加速度来计算重力加速度。例如，倾斜计算部330可以通过“(ax 2+ay 2+az 2)1/2”计算重力加速度。
4.2.惯性计测装置
图15是示出惯性计测装置(IMU：Inertial Measurement Unit：惯性测量单元)的结构例的图，并且是局部剖切显示的侧视图。图16是惯性计测装置的框图。惯性测量装置400是安装于移动体的惯性计测装置，其在由下壳体401和上壳体402划分出的内部空间中具有：具有与实施方式的物理量传感器装置200A(200B)相同的结构的物理量传感器装置410、角速度传感器装置420、根据物理量传感器装置410的加速度信号及角速度传感器装置420的角速度信号来计算移动体的姿势的姿势计算部(电路部)430、以及将与由电路部430算出的姿势相应的信号向外部输出的外部输出端子431。惯性计测装置400中例如可以包含内置电池、电源电路、无线装置等。
电路部430通过例如通用IC(Integrated Circuit)、FPGA(Field ProgrammableGate Array)来实现，其根据物理量传感器装置410的加速度信号及角速度传感器装置420的角速度信号来计算安装有惯性计测装置400的移动体的姿势，并输出与姿势相应的信号。需要注意的是，根据加速度及角速度计测移动体的姿势的方法众所周知，故省略。
根据本实施方式的惯性计测装置400，物理量传感器装置410利用本实施方式的传感器装置200A(200B)的结构。因此，作为物理量传感器装置410的输出的加速度信号的精度高，因此，能够使移动体的姿势的计测精度相比现有的惯性计测装置提高。
4.3.结构物监视装置
图17中示出结构物监视装置(SHM：Structural Health Monitoring：结构健康监测)500。结构物监视装置500具有具备与实施方式的物理量传感器装置200A(200B)相同的结构并安装于作为监视对象的结构物590上的物理量传感器装置510。物理量传感器装置510包括发送检测信号的发送部511。发送部511也可以作为与物理量传感器装置510分体的通信模块及天线来实现。
物理量传感器装置510经由无线或有线的通信网580与例如监视计算机570连接。监视计算机570具有经由通信网580与物理量传感器装置510连接的接收部520、和根据接收部520的接收信号来计算结构物590的倾斜角度的倾斜计算部530(也参照图18)。
在本实施方式中，计算部530通过搭载于监视计算机570的ASIC(ApplicationSpecific Integrated Circuit：专用集成电路)、FPGA(Field Programmable Gate Array)等来实现。不过，也可以构成为：使计算部530为CPU(Central Processing Unit：中央处理器)等处理器，通过该处理器对存储于IC存储器531中的程序进行运算处理而以软件方式实现。监视计算机570可以通过键盘540接收操作人员的各种操作输入，并将运算处理的结果显示在触摸面板550中。
根据本实施方式的结构物监视装置500，利用本实施方式的物理量传感器装置200A(200B)来监视结构物590的倾斜。因此，能够利用物理量传感器装置200A(200B)的作用效果、即高精度的加速度的检测，从而能够高精度地检测作为监视对象的结构物590的倾斜，能够提高结构物590的监视质量。
4.4.移动体
图19是示出移动体的结构例的图。在本实施方式中，将移动体600例示为轿车，但车型可以适当变更。另外，移动体600也可以是小型船舶、自动搬运装置、建筑内用的搬运车、叉车等。
移动体600具有具备与实施方式的物理量传感器装置200A(200B)相同的结构的物理量传感器装置610、和根据物理量传感器装置610的加速度信号来控制加速、制动以及转向中至少一方的自动驾驶控制部(控制部)620，能够根据物理量传感器装置610的检测信号来切换自动驾驶的实施或不实施。
控制部620由车载用的计算机实现。控制部620通过车内LAN(Local AreaNetwork：局域网)等通信网与物理量传感器装置610、节气门控制器602、制动器控制器604、转向控制器606等各种传感器及控制器以能够收发信号的方式连接。在此，节气门控制器602是控制发动机601的输出的装置。制动器控制器604是控制制动器603的动作的装置。转向控制器606是控制动力转向装置605的动作的装置。需要注意的是，与控制部620连接的传感器、控制器的种类并不限于此，能够适当地进行设定。
并且，控制部620通过内置的运算装置，根据物理量传感器装置610的例如加速度检测信号进行运算处理，判定自动驾驶的实施或不实施，并在实施自动驾驶时，对节气门控制器602、制动器控制器604、转向控制器606中至少任一方发送控制命令信号，从而控制加速、制动以及转向中至少一方。
自动控制的内容能够适当地进行设定。例如，在转弯期间，当通过物理量传感器装置610检测出的加速度达到产生打转(spin)、超出弯道(corner out)的可能性高的阈值时，也可以进行防止打转、超出弯道这样的控制。另外，在停止期间，当通过物理量传感器装置610检测出的加速度达到误操作而发生急进或急退的可能性高的阈值时，也可以进行将节气门强制性全部关闭而使紧急制动器强制启动这样的控制。
图19所示的自动驾驶的移动体600中使用的ADAS(Advanced Driver AssistanceSystems、先进驾驶辅助系统)定位器除了包括物理量传感器装置610的惯性传感器之外，还具有全球导航定位系统(GNSS：Global Navigation Satellite System、全球导航卫星系统)接收器、存储地图数据的地图数据库。ADAS定位器通过组合由GNSS接收器接收的定位信号和惯性传感器的计测结果，从而实时地测量移动体的行驶位置。ADAS定位器从地图数据库读出地图数据。来自包含物理量传感器装置610的ADAS定位器的输出被输入至自动驾驶控制部620。自动驾驶控制部620根据来自ADAS定位器的输出(包括来自物理量传感器装置610的检测信号)，控制移动体600的加速、制动以及转向中的至少任一方。
图20为示出与移动体600相关的系统的框图。切换部630根据来自ADAS定位器的输出的变化(包括来自物理量传感器装置610的检测信号的变化)，切换自动驾驶控制部620中的自动驾驶的实施或不实施。切换部630在例如ADAS定位器中的传感器(包括物理量传感器装置610)的检测能力降低的异常时，向控制部620输出从自动驾驶的实施切换为不实施的信号。
另外，上述全球导航卫星系统(GNSS：Global Navigation Satellite System)也可以利用例如作为卫星定位系统的GPS(Global Positioning System：全球定位系统)。或者，也可以利用例如EGNOS(European Geostationary-Satellite Navigation OverlayService：欧洲地球静止导航重叠服务)、QZSS(Quasi Zenith Satellite System：准天顶卫星系统)、GLONASS(GLObal NAvigation Satellite System：格洛纳斯卫星导航系统)、GALILEO、Beidou(BeiDou Navigation Satellite System：北斗导航卫星系统)等卫星定位系统中的一种或两种以上。此外，也可以在至少一种卫星定位系统中利用WAAS(Wide AreaAugmentation System：广域增强系统)、EGNOS(European Geostationary-SatelliteNavigation Overlay Service)等静止卫星型卫星导航增强系统(SBAS：Satellite-basedAugmentation System：星基增强系统)。
需要注意的是，如上所述，对本实施方式详细进行了说明，但本领域技术人员容易理解，能够进行实质上不脱离本发明的新方案和效果的多种变形。因此，这样的变形例全部包含在本发明的范围内。例如，在说明书或者附图中，至少一次与更为广义或者同义的不同术语一同记载的术语在说明书或者附图的任意位置均可替换为该不同的术语。另外，本实施方式及变形例的所有组合也都包含在本发明的范围内。

Claims (12)

1.一种物理量传感器，其特征在于，包括：
基部；
可动部，与所述基部连接；
第一臂部，连结于所述基部；
第二臂部，连结于所述基部；以及
物理量检测元件，安装于所述基部和所述可动部，检测由在连接所述基部与所述可动部的方向上产生的应力引起的物理量，
所述第一臂部配置于与连接所述基部和所述可动部的第一方向正交的第二方向上的一侧的第一区域，并且在所述第一区域的相比基部侧更靠可动部侧设置有固定区域，
所述第二臂部配置于所述第二方向上的另一侧的第二区域，并且在所述第二区域的所述可动部侧和所述基部侧中的至少任一方的区域中设置有固定区域，
在所述第一区域的位于所述基部侧的第三区域和所述第二区域的位于所述基部侧的第四区域中的至少一方中未配置有固定区域。
2.根据权利要求1所述的物理量传感器，其特征在于，
所述第二臂部的所述固定区域配置在所述基部侧。
3.根据权利要求1所述的物理量传感器，其特征在于，
所述第二臂部的所述固定区域配置在所述可动部侧。
4.根据权利要求3所述的物理量传感器，其特征在于，
所述物理量传感器包括连结于所述基部的第三臂部，
所述第三臂部在所述第三区域和所述第四区域中的任一方中设有固定区域。
5.根据权利要求1所述的物理量传感器，其特征在于，
所述物理量传感器包括与所述基部连结的第三臂部，
所述第三臂部在所述第一区域至所述第四区域中的未配置所述固定区域的至少一个区域中，在与安装有所述物理量检测元件的面相反一侧的面设有突起。
6.根据权利要求1所述的物理量传感器，其特征在于，
在所述固定区域设有填充粘接剂的槽。
7.根据权利要求1所述的物理量传感器，其特征在于，
所述基部与所述可动部通过缩窄部而连接。
8.一种物理量传感器装置，其特征在于，包括：
根据权利要求1所述的物理量传感器；以及
安装有所述物理量传感器的基台，
所述固定区域安装于所述基台。
9.根据权利要求8所述的物理量传感器装置，其特征在于，
所述物理量传感器装置包括电路基板，并且包括三个所述物理量传感器，
三个所述物理量传感器以各自的检测轴与正交的三轴各自一致的方式安装于所述电路基板。
10.根据权利要求8或9所述的物理量传感器装置，其特征在于，
所述物理量是加速度。
11.一种倾斜仪，其特征在于，包括：
根据权利要求10所述的物理量传感器装置；以及
计算部，根据来自安装于结构体的所述物理量传感器装置的输出信号，计算所述结构体的倾斜角度。
12.一种结构物监视装置，其特征在于，包括：
根据权利要求10所述的物理量传感器装置；
接收部，接收来自安装于结构物的所述物理量传感器装置的检测信号；以及
计算部，根据从所述接收部输出的信号，计算所述结构物的倾斜角度。
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