JP2007064929A - 傾斜測定センサ - Google Patents

Abstract

【課題】傾斜測定センサの可撓部の破損を防止して全ての傾斜の傾斜方向を検出する手段を提供する。
【解決手段】傾斜測定センサが、十字型に配置された梁体からなる可撓部と、梁体に形成された測定素子と、可撓部の端部を固定する本体部と、可撓部の中央部に配置され、梁体に接合された重錘収容部を有する重錘容器と、この重錘容器の重錘収容部に装填された重錘ボールとを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、搭載された装置等の傾斜の測定に用いられる傾斜測定センサに関する。

一般に、半導体加速度センサは、自動車や航空機等の輸送機器等に搭載されてその加速度の測定に用いられるが、その重り部の傾きによる可撓部の変形をピエゾ素子で検出して搭載された装置等の傾斜を測定する傾斜測定センサとして用いることもできる。
このような従来の半導体加速度センサは、十字型に配置された梁体からなる可撓部の端部を本体部に固定し、可撓部の中央部に分銅型の重り部を設置し、重り部の外周縁部をエッチング除去することにより重り部と梁体との間の間隔を重り部の外周縁部に向かって広くなるように形成し、梁体に形成されたピエゾ素子による加速度の測定範囲を大きくしている（例えば、特許文献１参照。）。

また、加速度センサにおいて、テーパ面からなる凹部と裏面中心に設けた突起軸とを有する導電性のテーブルを、中心に突起軸を遊嵌するガイド穴を有する穴付きスペーサに弾性体を介して保持して円筒状の容器の内部に設置し、容器の側板および下板の内面に側面導電性フィルムおよび下面導電性フィルムを設けると共にテーパ面からなる凹部に導電性の球を載置し、垂直方向の過大な振動をテーブルの突起軸と下面導電性フィルムとの接触により、水平方向の過大な振動と傾きをテーブルに載置した球と側面導電性フィルムとの接触により電気的に検出し、これを安全装置として用いているものがある（例えば、特許文献２参照。）。

更に、集光式太陽電池装置において、蓋板に複数のフレネルレンズを設け、このフレネルレンズに対応させて配置された太陽電池の一つを発電センサとして機能させ、発電センサの出力が最大となるように太陽電池をＸ−Ｙ−Ｚ方向に駆動モータおよびカム体により移動させて太陽光の入射角の変化に追従させているものがある（例えば、特許文献３参照。）。
特開２０００−１６４８８９号公報（主に第５頁段落００２５−段落００２８、第３図、第４図） 特開２００４−３３３３１３号公報（主に第３頁段落００１１、第１図） 特開平１１−２２４９５５号公報（第２頁段落００１１−第３頁段落００１８、第１図、第２図）

しかしながら、上述した特許文献１の技術においては、重り部の外周縁部をエッチング除去することにより重り部と梁体との間の間隔を重り部の外周縁部に向かって広くなるように形成しているため、限られたスペースに配置される重り部の質量が軽くなり、可撓部を変形させることが困難になるという問題がある。
このことは、傾斜測定センサとして用いる場合に特に重要である。

このため、可撓部の梁体の幅および／もしくは厚さを縮小して梁体の剛性を低くし可撓性を高めると、梁体の強度が低下して搭載した装置等の振動等による外力により梁体が破損しやすくなるという問題がある。
また、特許文献２の技術においては、テーパ面からなる凹部に導電性の球を載置して円筒状の側面導電性フィルムとの接触により傾斜を検出しているため、テーパ面のテーパ角に満たない傾斜を検出することができない他、円筒面との接触により傾斜を検出するので、傾斜の方向を測定することができないという問題がある。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、可撓部の破損を防止して全ての傾斜の傾斜方向を検出する手段を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、傾斜測定センサが、十字型に配置された梁体からなる可撓部と、前記梁体に形成された測定素子と、前記可撓部の端部を固定する本体部と、前記可撓部の中央部に配置され、前記梁体に接合された重錘収容部を有する重錘容器と、該重錘容器の重錘収容部に装填された重錘ボールとを備えたことを特徴とする。

このように、本発明は、重錘ボールの移動により重錘容器の重心位置を移動させることができ、梁体の剛性を高めて強度を高めた梁体を容易に撓ませることができ、振動等の外力による梁体の破損することが防止できると共に、重錘ボールが移動する重錘収容部の底面を平面として形成することができ、全ての傾斜方向を感度よく検出することができるという効果が得られる。

以下に、図面を参照して本発明による傾斜測定センサの実施例について説明する。

図１は実施例１の傾斜測定センサの上面を示す説明図、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。
図１、図２において、１は傾斜測定センサである。
２は本体部であり、シリコンからなる本体側壁３で略正方形に形成された枠体であって、その中央部の略正方形のハブ部４と本体側壁３とを可撓性を有する矩形断面の４つの梁体５で十字型に接続して一体に形成された可撓部６が異方性エッチング等により形成されている。

また、本体側壁３の上面と可撓部６のおもて面６ａとは同一面に形成される。
シリコンで形成されている梁体５には、不純物を添加拡散させて形成された測定素子としてのピエゾ素子７が各梁体５毎に梁体５の両端部の近傍にそれぞれ１つずつ計２つ形成され、図３に示すようにハブ部４を挟んで図１において水平方向に直列に配置された２つの梁体５に直線状に配置された４つのピエゾ素子７の抵抗（ピエゾ抵抗という。）をそれぞれピエゾ抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４とすると、一方の梁体５に配置され、図３に破線で示す配線により直列に接続されたピエゾ抵抗Ｒ１とＲ２および他方の梁体５に配置され、直列に接続されたピエゾ抵抗Ｒ３とＲ４に所定の電圧が印可されるように並列に接続して配線され、図４に示すブリッジ回路からなる等価回路が構成される。図１において垂直方向に直列に配置された２つの梁体５においても同様である。

８は重錘容器であり、シリコン等で形成された底面を平面とした重錘収容部９を有する枡状部材であって、その開口側の端部が開口の中心とハブ部４の中心とを一致させて梁体５の裏面の梁体５に形成された２つのピエゾ素子７の間に接着等により接合されて取付けられる。
１０は重錘容器８の重錘収容部９に装填された重錘ボールであり、シリコン等で形成された球体であって、その直径は重錘容器８の接合により、重錘容器８の側板と梁体５により形成される略正方形の穴の内接円の直径より大きく形成されており、重錘ボール９が移動したときに重錘容器８の外部に飛び出さないように構成されている。

１１はチップ電極であり、アルミニウム等でそれぞれの本体側壁３の上面に複数形成されており、それぞれのピエゾ素子７間を接続する内部配線の所定の部位と電気的に接続され、図示しない制御装置等との間の信号の送受や電源電圧等を中継する中継端子として機能する。
上記の構成の傾斜測定センサ１は、重錘ボール１０を重錘収容部９に収容した重錘容器８の端部を可撓部６の各梁体５に接合して組付けられる。これにより重錘ボール１０が重錘収容部９内部に装填され、平面である重錘容器８の重錘収容部９の底面に移動自在に支持される。

このような傾斜測定センサ１は、初期設定において重錘ボール１０が重錘収容部９の底面の中心にあるときに各ピエゾ素子７のピエゾ抵抗は同一の抵抗値に設定され、図４に示す電流Ｉ１、Ｉ２が同一の電流値となって図４にＶで示す電位差が０Ｖとなるように設定される。
平面である重錘容器８の重錘収容部９の底面に載置されている球体である重錘ボール１０は、重錘容器８が傾くと重力により低い方に向かって転動しながら移動し、重錘収容部９の側面に当接して停止する。

このとき、重錘容器８の重心位置が重錘ボール１０の停止位置の側に移動し、重錘容器８が接合している梁体５が重心位置に応じて変形し、それぞれのピエゾ素子７のピエゾ抵抗の抵抗値が変化して電位差Ｖが有限な値になり、十字型に配置された４つの梁体５に形成されたピエゾ素子７の抵抗値の変化により、重錘容器８の傾斜している方向（傾斜方向という。）、つまり可撓部６のおもて面６ａの平面における角度位置を検出することができる。

このようにして、傾斜測定センサ１の傾斜方向が検出される。
この場合に、本実施例では、重錘ボール１０を移動させることによって重錘容器８の重心位置を移動させるので、可撓部６の梁体５を容易に撓ませることができ、梁体５の幅および／もしくは厚さを拡大して比較的剛性の高い梁を形成しても、梁５を容易に撓ませることができ、振動等による外力より可撓部６の梁体５が破損することはない。

また、本実施例の重錘収容部９はその底面を平面として形成しているので、全ての傾斜方向を感度よく、かつ精度よく検出することができる。
以上説明したように、本実施例では、十字型に配置された４つの梁体にピエゾ素子を形成した可撓部の端部を本体部に固定し、重錘収容部に重錘ボールを装填した重錘容器を各梁体に接合するようにしたことによって、重錘ボールの移動により重錘容器の重心位置を移動させることができ、梁体の剛性を高めて強度を高めた梁体を容易に撓ませることができ、振動等の外力による梁体の破損することが防止できると共に、重錘ボールが移動する重錘収容部の底面を平面として形成することができ、全ての傾斜方向を感度よく検出することができる。

図５は実施例２の傾斜測定センサの上面を示す説明図、図６は図５のＢ−Ｂ断面図である。
なお、上記実施例１と同様の部分は、同一の符号を付してその説明を省略する。
図５、図６において、１５は重錘カバーであり、シリコン等で形成された重錘容器８と同一の開口を有し、カバー収容部１６が形成された枡状部材であって、その開口側の端部が梁体５を挟んで重錘容器８の開口の対向するように配置され、可撓部６の梁体５のおもて面６ａに接着等により接合されて取付けらており、カバー収容部１６に重錘ボール１０が装填される。

上記の構成の傾斜測定センサ１は、実施例１と同様にして重錘容器８を組付けた後に、重錘ボール１０をカバー収容部１６に収容した重錘カバー１５の端部を可撓部６の各梁体５に接合して組付けられる。これにより２つの重錘ボール１０が重錘収容部９および重錘カバー１５の内部に装填され、重錘収容部９の底面および可撓部６のおもて面６ａにそれぞれ移動自在に支持される。

このような傾斜測定センサ１のピエゾ抵抗の初期設定および傾斜方向の検出における作動は、実施例１と同様であるのでその説明を省略する。
この場合に、重錘ボール１０が２つ同時に移動するので梁５を更に容易に撓ませることができ、ピエゾ素子７による傾斜方向の測定感度をより高めることが可能になる。
以上説明したように、本実施例では、上記実施例１と同様の効果に加えて、可撓部の梁体を挟んで重錘カバーを対抗配置し、重錘カバー内に重錘ボールを装填するようにしたことによって、重錘ボールを２つ用いて重錘容器等の重心位置を移動させることができ、傾斜方向の測定感度をより高めることが可能になる。

なお、上記実施例１および実施例２においては、傾斜測定センサは、その組立後に制御装置に直接接続するとして説明したが、傾斜測定センサを後述するケース体の内部に収納してチップ電極とケース体の外部端子とをワイヤにより接続した後に傾斜測定センサとして用いるようにしてもよい。

図６は実施例３の傾斜測定センサの断面を示す説明図である。
なお、上記実施例１と同様の部分は、同一の符号を付してその説明を省略する。
図６において、２１はケース体であり、セラミックスや樹脂材料等の薄板で製作された枠体２２に、台板２３および下蓋２４を接着等により接合して形成されており、これらより形成される空間に本体部２等を収容して外部からの塵埃等の侵入等を防止する機能を有している。

２５は可撓部であり、シリコン等で本体部２と一体に形成された可撓性を有する薄い平板であって、可撓部２５の中心から等配に４方向に配置された、つまり十字型に配置されたピエゾ素子７が可撓部２５のおもて面２５ａに形成されおり、本体側壁３のチップ電極１１が形成されている上面と可撓部２５のおもて面２５ａとは同一面に形成される。
本実施例のピエゾ素子７は、可撓部２５の中心から本体側壁３の間に２つ直線状に配置され、実施例１のピエゾ素子７と同様に十字型に配置され、配線されている。

２６は錘状突起であり、下蓋２４の可撓部２５に形成された各ピエゾ素子７に対向する位置に形成された円錐状の突起であって、その先端部は小さなＲ形状（本実施例では小さな球面）に形成され、対向するピエゾ素子７の中心部を支持している。
２８は台板２３に設けられた外部端子であり、台板２３を貫通する導電体によりケース体２１の外部に電気的に接続した端子であって、金属細線等のワイヤ２９で所定のチップ電極１１と接続される。

上記の構成の傾斜測定センサ１は、内部に重錘ボール１０を収容した本体部２の可撓部２５とは反対側の端部を台板２３の内面に接着等により接合して組付けられ、ダイボンダ等により所定のチップ電極１１と外部端子２８との間をワイヤ２９で接続した後に、錘状突起２６を形成した下蓋２４をその錘状突起２６の先端をピエゾ素子７に当接させて接着等により枠体２２に接合して組立てられ、台板２３を上にして用いられる。これにより重錘ボール１０が台板２３と本体部２の本体側壁３と可撓部２５との内面により形成される空間に装填され、平面である可撓部２５の裏面に移動自在に支持される。

このような傾斜測定センサ１のピエゾ抵抗の初期設定は、実施例１と同様であるのでその説明を省略する。
平面である可撓部２５の裏面に載置されている重錘ボール１０は、可撓部２５が傾くと重力により低い方に向かって転動しながら移動し、本体側壁３の内面に当接して停止する。

このとき、可撓部２５がその可撓性により、重錘ボール１０が停止した位置を谷として変形し、重錘ボール１０が停止した位置に近いピエゾ素子７が錘状突起２６の先端より他のピエゾ素子７より強く押圧され、抵抗値のより大きな変化が生じ、十字型に配置された各ピエゾ素子７の抵抗値の変化により可撓部２５の傾斜方向、つまり傾斜測定センサ１の傾斜方向を検出することができる。

この場合に、本実施例では、錘状突起２６を設けて重錘ボール１０の移動に伴うピエゾ素子７の変形を大きくするので、ピエゾ素子７の抵抗値の変化をより大きくすることができ、傾斜方向の測定感度を更に高めることができると共に、可撓部６を平板で構成するので可撓部２５の強度をより高めることができ、振動等による外力より可撓部６が破損することはない。

また、本実施例の可撓部６は裏面を平面として形成しているので、全ての傾斜方向を感度よく、かつ精度よく検出することができる。
以上説明したように、本実施例では、十字型に配置されたピエゾ素子を形成した可撓部の端部を本体部に固定し、下蓋に設けた錘状突起の先端をピエゾ素子に当接させ、台板と本体部と可撓部とにより形成される空間に重錘ボールを装填するようにしたことによって、重錘ボールの移動により錘状突起が当接したピエゾ素子を強く押圧してその変形を大きくすることができ、ピエゾ素子の抵抗値の変化をより大きくして傾斜方向の測定感度を更に高めることができる他、可撓部６を平板で構成することができ、可撓部の強度をより高めて振動等による外力より可撓部が破損することを更に防止することができると共に、重錘ボールが移動する可撓部の裏面を平面として形成することができ、全ての傾斜方向を感度よく検出することができる。

なお、本実施例においては、錘状突起は円錐状の突起として説明したが、錘状突起の形状は前記に限らず、多角錐上、楕円錘状等どのような錘状の形状であってもよい。要は規格的小さな接触面積でピエゾ素子に当接させることができればよく、例えば細い円柱状であってもよい。
また、本実施例においては、可撓部は平板で構成するとして説明したが、実施例１と同様の十字型に配置した梁体を有する可撓部であってもよい。

上記実施例１および実施例２、実施例３においては、初期設定におけるピエゾ抵抗の抵抗値は全て同一に設定するとして説明したが、組立後の電位差Ｖを電気的にキャンセルするキャリブレーションによって零点調整を行い、そこからの電位差Ｖの変化量により傾斜方向を検出するようにしてもよい。
また、上記実施例１および実施例２、実施例３においては、本体部は個別に形成するとして説明したが、複数の本体部を形成した半導体ウェハを本体部毎に個片に分割して形成するようにしてもよい。

図８は実施例４の傾斜測定センサの断面を示す説明図である。
なお、上記実施例１および実施例３と同様の部分は、同一の符号を付してその説明を省略する。
図８において、３１は太陽電池であり、ケース体２１の台板２３に接着等により接合されて設置されたチップ本体３２のチップ上面３２ａに複数取付けられ、チップ上面３２ａに複数形成されたチップ電極１１にそれぞれ電気的に接続している。

３３は発光ダイオード等の発光体であり、ケース体２１の枠体２２の上部に接着等により接合されたシリコン等からなる上蓋３４に太陽電池３１と対向して設けられ、太陽電池３１が発電するための光を供給する機能を有している。
３５は２重透明板であり、２枚の石英ガラス等で形成された平板である透明板３６を図８にＳで示す平行な隙間を介して配置して形成され、受台３７に接着等により接合して対向配置された発光体３３と太陽電池３１との間に配置される。

３８は液体であり、エタノール等の比較的粘度の低い液体である。
３９は遮光板であり、液体３８より比重の小さい、つまり液体３８に浮かせることができる材料で形成された碁石状の円盤であって、２重透明板３５の平行な隙間Ｓの間に液体３８と共に封入される。これにより遮光板３９が２重透明板３５の内部に液体３８に浮遊する状態で装填され、２重透明板３５の平行な隙間Ｓの間に移動自在に支持される。

なお、本実施例の台板２３は枠体２２と一体に形成されている。
上記の構成の傾斜測定センサ１の組立は、ケース体２１の台板２３に上面に太陽電池３１を取付けたチップ本体３２の下面を接合して設置し、ダイボンダ等により所定のチップ電極１１と外部端子２８との間をワイヤ２９で接続した後に、遮光板３９と液体３８を封入した２重透明板３５を受台３７に接合して取付け、枠体２２の上部に発光体３３を設けた上蓋３４を発光体３３を太陽電池３１に対向させて接合して組立てられ、台板２３を下にして用いられる。これにより発光体３３と太陽電池３１との間に遮光板３９を封入した２重透明板３５が配置される。

このような傾斜測定センサ１は、初期設定において各太陽電池３１が発光体３３からの影のない光を受けたときに発生させる電圧値（発電電圧値という。）が同一になるように設定される。
２重透明板３５の隙間Ｓの平行な空間に満たされた液体３８に浮遊する遮光板３９は、２重透明板３５が図９（ｂ）に示すように反時計方向に傾くと、浮力により高い方に向かって発光体３３からの光を遮りながら移動し、図９（ａ）に示すように２重透明板３５の端部に当接して停止する。

このとき、該当する部位に位置する太陽電池３１の発電電圧値が遮光板３９により形成された影の面積に相当する分低下し、図１０に示す電圧管理回路４０が発電電圧値の低下の分布を計測し、直線補完等によって遮光板３９による影の位置を特定し、その反対側の方向を２重透明板３５の傾斜方法、つまり傾斜測定センサ１の傾斜方向として検出する。
図１０の例では、遮光板３９により光を遮られた太陽電池３１の発電電圧値Ｖ６が低下するので、傾斜方法は図１０において垂直方向上から反時計方向に９０度として検出される。

この場合に、本実施例の傾斜測定センサ１は、可撓部６や可撓部２５を形成する必要がないので、振動等による外力より傾斜測定センサ１が破損することはない。
また、本実施例の２重透明板３５に平行な隙間Ｓを形成しているので、全ての傾斜方向を精度よく検出することができる。
更に、２重透明板３５の平行な隙間Ｓに遮光板３９を浮遊させる比較的粘度の低い液体３８を封入したので、遮光板３９の移動の際の粘性抵抗を低減して遮光板３９を円滑に移動させることができ、傾斜方向を感度よく検出することができる。

以上説明したように、本実施例では、２重透明板の平行な隙間Ｓに封入された液体に浮遊する遮光板により発光体からの光を遮って太陽電池に影を形成するようにしたことによって、可撓部を省略することができ、振動等の外力による傾斜測定センサの破損することが防止できると共に、平行な隙間Ｓの間に遮光板を移動させるので、全ての傾斜方向を検出することができる。

なお、本実施例においては、２重透明板の平行な隙間Ｓの間に液体に浮遊する遮光板を封入するとして説明したが、平行な隙間Ｓの空間に遮光板のみを封入し、重力により移動させるようにしてもよい。この場合に傾斜方向は特定した影の方向として検出される。
また、初期設定における太陽電池の発電電圧値は全て同一に設定するとして説明したが、組立後の各太陽電池の影がない場合の発電電圧値を測定し、それを初期値として用い、そこからの発電電圧値の変化量により傾斜方向を検出するようにしてもよい。

実施例１の傾斜測定センサの上面を示す説明図 図１のＡ−Ａ断面図 実施例１のピエゾ素子間の配線を示す説明図 実施例１のピエゾ素子配線の等価回路を示す説明図 実施例２の傾斜測定センサの上面を示す説明図 図５のＢ−Ｂ断面図 実施例３の傾斜測定センサの断面を示す説明図 実施例４の傾斜測定センサの断面を示す説明図 実施例４の傾斜方向測定時の状態を示す説明図 実施例４の傾斜方向の測定方法を示す説明図

符号の説明

１ 傾斜測定センサ
２ 本体部
３ 本体側壁
４ ハブ部
５ 梁体
６、２５ 可撓部
６ａ、２５ａ おもて面
７ ピエゾ素子
８ 重錘容器
９ 重錘収容部
１０ 重錘ボール
１１ チップ電極
１５ 重錘カバー
１６ カバー収容部
２１ ケース体
２２ 枠体
２３ 台板
２４ 下蓋
２６ 錘状突起
２８ 外部端子
２９ ワイヤ
３１ 太陽電池
３２ チップ本体
３２ａ チップ上面
３３ 発光体
３４ 上蓋
３５ ２重透明板
３６ 透明板
３７ 受台
３８ 液体
３９ 遮光板
４０ 電圧管理回路

Claims (4)

1. 十字型に配置された梁体からなる可撓部と、前記梁体に形成された測定素子と、前記可撓部の端部を固定する本体部と、前記可撓部の中央部に配置され、前記梁体に接合された重錘収容部を有する重錘容器と、該重錘容器の重錘収容部に装填された重錘ボールとを備えたことを特徴とする傾斜測定センサ。
2. 請求項１において、
   前記重錘容器の開口と同じ開口を有する重錘カバーを設け、
   該重錘カバーを前記梁体を挟んで対向配置し、前記重錘カバー内に前記重錘ボールを装填したことを特徴とする傾斜測定センサ。
3. 枠体に台板と下蓋を設けたケース体と、前記台板の中央部に設置された本体部と、該本体部の前記台板の反対側に固定され、おもて面に十字型に測定素子を形成した可撓部と、前記下蓋に設けられ、前記それぞれの測定素子を先端部により支持する錘状突起と、前記台板と前記本体部と前記可撓部とにより形成される空間に装填された重錘ボールとを備えたことを特徴とする傾斜測定センサ。
4. 発光体と、該発光体に対向配置された複数の太陽電池と、前記発光体と前記太陽電池との間に配置された２重透明板と、該２重透明板の平行な隙間に封入された遮光板とを備えたことを特徴とする傾斜測定センサ。