JP2007178385A - 複合センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、圧力と加速度を同時に測る複合センサの構造であり、センサシステムの構造の簡略化とシステムの小型化を実現する複合センサを目的とする。
【解決手段】 課題を解決するために、上述する現状の課題を改善するため本発明は、タイヤの内部空間に、流体圧力と加速度とを独立して計測できる構造の複合センサ素子を内臓し、タイヤの空気圧計測と、タイヤが回転することで発生する加速度とを別々に独立して検知することにより課題を解決する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、圧力と加速度とを独立して同時に測る複合センサの構造に属し、センサシステムの構造の簡略化とシステムの小型化を実現する複合センサに関する。

近年、ＩＴＳ構想の実現化に伴い安全自動車（ＡＳＶ）への関心が高まっている。その様な中で、危険回避という立場から、特に高速道路上でのタイヤのバーストなど、空気圧トラブルによる事故は周辺車両までも巻き込んで大事故に発展する可能性が大きく、走行中のタイヤの空気圧モニタリングは欠かせない状況に成りつつある。
一方、滑り易いカーブや、雪道などに於ける横滑り事故回避を目的としてＡＳＶが装備する姿勢制御装置はＶＳＣ、ＤＶＣなどと呼ばれ、ドライバが制御しずらい自動車の挙動から、その姿勢を制御して危険を回避し、乗員を保護するための一手法として市場に浸透しつつある。本複合センサはこの様な社会的背景と、必要性から開発されたものである。

一般に使用される流体の圧力を測る圧力センサの例として、図４に機械的な動作で圧力を検知するものを示す。図４では加圧により変形する二重式ダイヤフラムに連動する棒がついており、その棒の動作変化量を読み取ることで印加量を検知する構造である。
棒の直進動作（変動量）はラック＆ピニオン機構を用いて回転機構に変換され、回転機構に付随する指針により変化量が表示される。この様なシステムでは、全体の装置が大掛かりで、更に、機構が複雑となり、全体のシステム価格も高価なものになる可能性が高い。

近年使用される小型の圧力センサは、製造法の簡便さからシリコンを利用したセンサが多く使用されている。これらのセンサ構造の多くはＭＥＭＳ加工技術を用いて、シリコンウェハを薄壁化（ダイヤフラム）して凹部構造を形成し、パッケージ底部に固定して気密チャンバを構成する。この空間に導入する被測定空気の圧力変化による薄壁の変動を薄壁背面に構築したピエゾ抵抗を介して抵抗値変化として検知するものである。
特開２００５−０１７０５０号公報 なお、出願人は前記した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を本出願までに発見するに至らなかった。

最近では圧力センサシステムの小型化の展開の中で、シリコンＭＥＭＳを使用した圧力センサが使用されてきている。このシリコンＭＥＭＳを使用した圧力センサでは、導入される被測定空気（環境中空気）が感知部となる薄壁に直接接触するため非測定空気が汚染されている場合、チャンバ内への汚染物付着・蓄積によりる感度劣化問題や、温度特性を悪化させる原因となる。また、システムを構成するダイヤフラムの薄壁厚みや、ピエゾ抵抗の造り込みなどの加工精度が直接製品の特性のバラツキに反映するため、これを使用してシステム構成する生産工程に於いてセンサ出力値を個々に調整する必要があり、この様な煩雑な作業がコストを押し上げる要因となるなどの課題がある。

そしてその一方で、従来の自動車の車体姿勢制御のための状態検知手法は、直交座標系３軸を、その内第１軸を車体の進行方向と平行に設定し、それと直交する第２軸を地面に垂直に設定して構築したとき、角速度センサと、加速度センサとを、これらの軸とセンサの感受性軸が平行になる様にそれぞれ３個（計６個）を配置する。そして、これらセンサから得られる車体の旋回・ピッチ・ロールの状態検知と、舵角センサによるステアリング舵角などから適正値を導出して、それぞれのタイヤの回転数を独立して制御しグリップ性を高めることで姿勢を制御するものである。この様な手法は、多種・多数のセンサを使用することからメカニズムが複雑となり、センサ間の調整も必要となるためコスト高の原因となるなどの課題がある。

上述する現状の課題を改善するため本発明は、本センサの基本的構造体には、例えば、水晶のような圧電単結晶を材料として使用し、厚みを有する平行平面形状の主面を持つ支持部（固定基部）と、この支持部の中心部を貫通し、かつ、支持部主面に垂直な直線Ｚと、同様に支持部の中心部を貫通して、それぞれ３本の直線が直交するよう直線Ｘ、Ｙを仮想して直交座標系を構築したとき、少なくとも一つの直線、例えば、Ｙ軸と平行で、支持部から反対方向に伸びる角柱のセンサ部をもち、そのうち一方の角柱が流体圧力感知用センサ、他の一方の角柱が加速度感知用センサとなる様に構築して、圧力−加速度をセンシングする複合センサである。

流体圧力感知用センサ部となる角柱には、1本でも良いし、2本構造（１対）として音叉様形状でもかまわないが、センサ部上に金属電極を構築して、Ｘ軸と平行方向に屈曲振動をさせたとき、振動環境の圧力（例えば、空気圧）が変化すればそれに応じて周波数変化が生じるので、これを検知することになる。

一方、支持部を介して反対側に構築される加速度感知用センサは、基本的に流体圧力感知用センサ部と同様の角柱形状でよいが、このセンサ部は通常静止状態であり、加速度が印加されたとき撓み変化をする構造と成っている。しかし、２つのセンサ部の固有周波数が一致すると加速度センサに圧力センサの振動がリークして共振状態となり、無加速時に於いても信号が発生してノイズの原因となる。

従って、この様な相互間のクロストークを防止するため、先記センサ間の固有周波数を±１０％以上離して（離調）設計する事が必要で、この様に構築することで安定で、感度の高い計測が可能となる。加速度感知センサ用角柱部には、加速度の印加に伴い発生する角柱部の撓みの大きさを圧電効果として電荷検出をしても良いが、センサ部の加速度が印加される方向に垂直な面の一方、或いは両面に、伸縮することにより抵抗値が変化する薄膜抵抗体を構築して抵抗値変化を検出することが可能となる。

要するに、一例としてタイヤの内部空間に、流体圧力と加速度とを独立して計測できる環境を実現するにあたり、流体圧力と加速度とを独立して計測できる構造の複合センサ素子を内臓し、タイヤの空気圧計測と、タイヤが回転することで発生する加速度とを別々に独立して検知できる方法を提供するもので、これらの検出信号を利用して確実・容易に、低コストで自動車の空気圧異常検出や、車体の姿勢制御が出来ることから、自動車の安全向上を計ることが可能となる。

自動車などの移動体本体には複数のタイヤが配置されており、それぞれのタイヤが回転することにより発生する個々の加速度センサのデータは、個々のタイヤの回転状態を示すばかりではなく、タイヤ相互間の加速度データを比較すること、更に、舵角センサによるステアリングの舵角データを含めて一定のアルゴリズムを持って解析することで、移動体の姿勢を確実に把握することが可能となり、従来システムと比較して、より簡便・直接的に移動体の姿勢・状態が判断できるので、より安価で確実な姿勢制御が可能となる。

更に、これを目的に使用する加速度センサは、タイヤの回転状態を直接知る必要があり、そのため、タイヤに直接搭載することが必要であり、そして、そのタイヤには空気圧監視を目的に圧力センサも必要としていることから、流体圧力と加速度とを同一センサ素子を用いて効率よく検知できる圧力−加速度複合センサを提供することは高効率、省スペース、コスト低減を可能とする効果がある。

以下に本発明の実施の形態について図を参照しながら説明する。図１は、本発明の流体圧力−加速度複合センサの概念図である。本図では、平行な平面と厚みを有する四角板の支持部１を表しているが、円板や、多角板でもかまわないし、主面の一部に貫通穴、凹凸に加工することも自由である。今、説明を容易にするため、四角板（支持部１）の中心部を貫通して（起点４）、支持部１平面に垂直な直線１（Ｚ軸）と、同様に支持部１の中心部を貫通してＺ軸と垂直でセンサ部の長手に平行となる直線２（Ｙ軸）と、それぞれが直交するような第３の直線３（Ｘ軸）とにより構成される直交座標系を仮想する。

そして、Ｙ軸に垂直となる支持部１の二面（起点４）から、Ｙ軸に平行に外に向かって支持部１と一体化して角柱の構造体を構築しこれをセンサ部とする。図１ではそれぞれ１本が記されているが、感度的に問題であれば複数本にしてもかまわない。ここでは水晶のような圧電単結晶を主構造体の材料とし、センサ部は１本構造として説明を加える。今、Ｙ軸の奥側（−）に流体圧力センサ部２、手前側（＋）に加速度センサ部３を設けたものとする。

流体圧力センサ部２は、支持部１と一体化し、そのＹ軸に垂直な一方の面（−側）からＹ軸と平行で、Ｙ軸を中心として四角柱の構造を形成し、更に、この構造体表面に電極を構成し、逆圧電効果を利用して、発振器などによりＸ軸方向に屈曲をする「屈曲振動」を励振させる。これは構成する構造体固有の周波数を持って振動することになるが、センサ部の振動環境となる流体（例えば空気）の圧力変化に応じた負荷変動により振動への抵抗が変化して、それにより周波数が変化するため、発振器の出力周波数を周波数カウンタなどで計測することで圧力を検知する事が可能となる。

一方、加速度センサ部３も支持部１と一体化し、そのＹ軸に垂直で流体圧力センサ２と反対側の面（＋側）からＹ軸と平行で、Ｙ軸を中心として四角柱の構造を形成する。このセンサは常時静止状態で待機し、Ｘ軸、或いは、Ｚ軸方向の加速度が印加されたときセンサ部の構造体に撓みが誘起される構造のため、実用上、感応方向軸に平行な辺加速度印加方向と平行となる辺の寸法を薄く加工すれば（例えば、Ｚ軸方向の加速度を計測する場合には、撓みが大きく発生する根元部分でＺ軸に平行方向の辺の寸法を薄く加工すれば）、感度を向上させることが可能となる。

そして、この薄く加工した部位の加速度印加方向（Ｚ軸）に垂直な面の片側、或いは、両側に、スパッタなどにより、チタン（Ｔｉ）や、クロム（Ｃｒ）などの抵抗薄膜をＹ軸方向を長手として“つづら折れ”の紐状に形成し、その両端２端子を接続端子を介して外部の抵抗計に接続するか、ホイートストンブリッジ回路の一辺に接続すれば、加速度の大きさと方向を電圧の変化として検知することが可能となる。この時、抵抗薄膜の紐状形成には、フォトリソ法を用いると簡単に微細加工が可能で、つづら折れ回数を多く出来れば感度向上が可能となる。

以上、本発明の基本形状について説明したが、次に更なるセンサ特性の品位向上のための条件を述べる。その条件のひとつは、加速度センサ部３の体積を流体圧力センサ２部の体積の2倍以上に設定すること。ふたつ目は、それぞれのセンサ部構造体の固有振動周波数を±１０％以上離す（離調する）ことである。先にも述べた様に本発明の複合センサは、圧力検知には構造体の振動を利用し、加速度検知には構造体を静止状態で利用することが特徴となっており、その理由は、２センサ間のクロストーク（相互間干渉）を回避するための最大の対策法となっている。

後者の理由は、双方のセンサ部構造体の屈曲振動の固有振動周波数を±１０％以上離調して共振できない状況を作りだす事が目的であり、前者は、その様に設計しても小型化などの限られた形状条件や、一体化された同一材料構造体であるため、圧力センサの励振振動が加速度センサ３側に伝達し、振動がノイズとして観測される問題があり、体積、即ち、重さを２倍以上に設定することで、このノイズの抑制が可能となる。

本発明の複合センサの基本概念図を示す。 本発明の複合センサのセンサ部の電極構成の模式図を示す。 本発明の複合センサのセンサ部を複数本にした場合の形状例を示す。 従来の機械式圧力検出方式の一例を示す概念図。

符号の説明

１ 支持部
２ 流体圧力センサ部
３ 加速度センサ部
４ 起点

Claims (5)

1. 平面と厚みを有する支持部を持ち、前記支持部の中心部を貫通して、支持部平面に垂直な直線Ｚと、同様に前記支持部の中心部を貫通して、３軸それぞれが直交する直線Ｘ、Ｙとにより直交座標系を構築したとき、これらの少なくとも一つの直線と平行方向に、支持部を起点としてそれぞれ反対方向に伸びる少なくとも一本のセンサ部をもち、その内一方が流体圧力感知用センサで、他の一方が加速度感知用センサであることを特徴とする圧力−加速度複合センサ。
2. 請求項１項において、直線に平行、かつ支持部を介して反対方向にある2種類のセンサ部のうち加速度センサ部の体積が、圧力センサ部の体積の2倍以上であることを特徴とする圧力−加速度複合センサ。
3. 請求項１ないし請求項２項のセンサは単結晶で構築されており、流体圧力感知用センサは単結晶の固有振動を利用し、圧力変動に伴う周波数変化を検知することを特徴とする複合センサ。
4. 請求項１ないし請求項２項に記載で、加速度検知用センサは、前記センサ表面の伸縮により抵抗値が変化する抵抗薄膜をセンサ上に構築して加速度の大きさと方向を検知することを特徴とする複合センサ。
5. 請求項１ないし請求項４において、センサ部を屈曲振動させたとき、それぞれの固有振動周波数の差が、流体圧力センサ部の固有振動に対し、±１０％以上離調していることを特徴とする複合センサ。
   

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