JP2007285996A - 熱感知型加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 カバー部材で周囲の空気が密封されたセンサ基板に、密封された空気を加熱するためのヒータと、該ヒータを挟んで相対向する位置で空気の温度を検出する温度検出素子とが設けられてなる熱感知型加速度センサにおいて、温度検出素子が熱応力の影響を受けにくくすることにより、加速度の検出精度を向上させる手段を提供する。
【解決手段】 本熱感知型加速度センサ１は、カバー部材で覆われることで周囲の空気１５が密封されてなるセンサ基板３に、密封された空気１５を加熱するためのヒータ４と、該ヒータ４を挟んだ相対向する位置において密封された空気１５の温度をそれぞれ検出する一対の温度検出素子６とが設けられ、該一対の温度検出素子６の検出温度差に基づいて、密封された空気１５に加わった加速度の大きさを検出するものであって、各温度検出素子６は、熱変形自在な状態でその一部がセンサ基板３に固定されたものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、物体に加わる加速度の大きさを検出するための加速度センサに関し、特に、密封された空気をヒータで加熱してヒータを挟んだ対向位置で温度を検出し、その検出温度差に基づいて加わった加速度の大きさを検出する熱感知型加速度センサに関する。

物体に加わる加速度の大きさを検出するための加速度センサとしては、センサ基板上に、可撓性を有する梁部材で錘体を揺動可能に支持し、梁部材に生じた歪量を検出することで加わった加速度の大きさを測定するものが従来用いられている（例えば特許文献１参照）。このタイプの加速度センサは、重みのある錘体を肉薄な梁部材で支持することで良好な応答速度が得られる反面、高い位置から落下した場合等に梁部材が破損しやすく耐衝撃性に劣る、という問題がある。

一方、従来用いられている他のタイプの加速度センサとして、いわゆる熱感知型加速度センサがある。図６は、従来例に係る熱感知型加速度センサ７０を示す概略平面図である。図に示すように、熱感知型加速度センサ７０は、空洞部７１が形成されてなるセンサ基板７２と、該センサ基板７２の四隅から中央に向かって架設された４本の梁部材７３と、この４本の梁部材７３によって支持されることで空洞部７１上に配置されたヒータ７４と、ヒータ７４を挟んだ相対向する位置の温度を測定する２対の温度検出素子７５と、を備えるものである。ここで、各温度検出素子７５は、その基端側がセンサ基板７２に固定される一方、先端側が固着部７６を介して左右の梁部材７３にそれぞれ固定されている。また、図６に詳細は示していないが、センサ基板７２はカバー部材によって覆われることで周囲の空気が密封されている。

このように構成される熱感知型加速度センサ７０では、ヒータ７４がＯＮされると、密封された空気は、ヒータ７４近傍の空気が加熱されて高温に、またヒータ７４から離れるに従って温度が低下する温度分布状態となる。ここで、加速度が加わっていない状態では、ヒータ７４を挟んで相対向する位置に設けられた一対の温度検出素子７５は同じ温度を検出している。しかし、加速度が加わると、加熱されて軽くなったヒータ７４近傍の空気が加速度と同じ方向へ移動するが、ヒータ７４から離れた位置にある低温で重い空気は直ぐには追従しない。これにより、一対の温度検出素子７５による検出温度に差が生じ、この温度差に基づいて加速度が検出されるものとなっている。

この熱感知型加速度センサ７０は、そのヒータ７４が前記錘体と比較して非常に軽いものであって、しかも梁部材７３に可撓性が必要とされず肉厚に形成することも可能であるため、錘体を梁部材で支持するタイプの加速度センサよりも耐衝撃性に優れている。

特開２００４−０４５０４４号公報

しかし、従来の熱感知型加速度センサ７０は、温度検出素子７５に生じる熱応力の影響を受けて加速度の検出精度が低下するという問題がある。すなわち、図６に示すように、各温度検出素子７５は、その先端側が左右の梁部材７３にそれぞれ固定されている。従って、温度検出素子７５がヒータ７４で加熱されると、伸び方向への熱変形が規制されているため、その内部には圧縮方向への熱応力が発生する。逆に、温度検出素子７５の温度が低下した場合、縮み方向への熱変形が規制されているため、その内部には引っ張り方向への熱応力が発生する。この熱応力の影響を受けて温度検出素子７５による温度の検出精度が低下し、これにより加速度の検出精度も低下する。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、カバー部材で周囲の空気が密封されたセンサ基板に、密封された空気を加熱するためのヒータと、該ヒータを挟んで相対向する位置で密封された空気の温度を検出する温度検出素子とが設けられてなる熱感知型加速度センサにおいて、温度検出素子が熱応力の影響を受けにくくすることにより、加速度の検出精度を向上させる手段を提供する。

上記目的を達成するための請求項１記載の熱感知型加速度センサは、カバー部材で覆われることで周囲の空気が密封されてなるセンサ基板に、密封された空気を加熱するためのヒータと、該ヒータを挟んだ相対向する位置において密封された空気の温度をそれぞれ検出する一対の温度検出素子とが設けられ、該一対の温度検出素子の検出温度差に基づいて、密封された空気に加わった加速度の大きさを検出する熱感知型加速度センサにおいて、前記各温度検出素子は、熱変形自在な状態でその一部が前記センサ基板に固定されたものである。

請求項２記載の熱感知型加速度センサは、前記各温度検出素子がｐｎ接合からなることを特徴とするものである。

請求項３記載の熱感知型加速度センサは、前記各温度検出素子が、横断面円弧形状であって、その凹側を前記ヒータに向けて配置されたものである。

本発明に係る熱感知型加速度センサによれば、各温度検出素子はその先端側が梁部材に固定されていないので、ヒータに加熱された場合は伸張するように、またヒータによる加熱が停止した場合は収縮するように、自在に熱変形することができる。従って、温度検出素子の内部に熱応力が発生しにくく、密封された空気の温度を精度良く検出することができ、これにより加速度の大きさを精度良く検出することができる。

また、本発明に係る熱感知型加速度センサによれば、温度検出素子がｐｎ接合からなるので、従来型のサーモパイル方式等と比較して精度良く加速度を検出することができる。

また、本発明に係る熱感知型加速度センサによれば、温度検出素子が横断面円弧形状であって、その凹側をヒータに向けて配置されたので、加熱されて高温となったヒータを中心とする球形の空気の塊を温度検出素子全体で追従することができる。これにより、空気の温度を精度良く検出することができ、ひいては加速度を精度良く検出することができる。

以下、本発明の実施例に係る熱感知型加速度センサ１を図面に基づいて説明する。図１は、熱感知型加速度センサ１の外観を示す概略斜視図である。熱感知型加速度センサ１は、空洞部２が形成されてなるセンサ基板３と、空洞部２上に設けられセンサ基板３の周囲の空気を加熱するヒータ４と、該ヒータ４をセンサ基板３上に支持する４本のヒータ支持梁５と、ヒータ４を挟んだ相対向する位置において空気の温度を検出する２対の温度検出素子６と、各温度検出素子６をセンサ基板３上に支持する４本の素子支持梁７と、を備えるものである。また、図１に詳細は示していないが、センサ基板３は、ガラス等からなるカバー部材によって覆われることで周囲の空気が密封されている。

センサ基板３は、シリコン等の半導体からなる所定厚さの板状部材であって、図１に示すように、横断面略矩形に形成されている。このセンサ基板３には、平面視略矩形の空洞部２が厚み方向に貫通形成されている。そして、センサ基板３の内側面には、その四隅をセンサ基板３の中央側に向かって若干突出して形成した４個の梁受け突起８がそれぞれ形成されるとともに、各梁受け突起８の間の中間位置には、センサ基板３の中央に向かって延びる４個の梁受けリブ９がそれぞれ突設されている。尚、センサ基板３の形状は、本実施例に限られず適宜設計変更が可能である。

ヒータ４は、図１に詳細は示さないが、所定の電気回路を介して電源に接続され、そのＯＮ／ＯＦＦ、すなわち電力供給の開始／停止を切り替えることにより、前記密封された空気の温度制御を行うものである。このヒータ４は、図１に示すように、４本のヒータ支持梁５で４方向から支持されることにより、センサ基板３の空洞部２上に配設されている。ヒータ支持梁５は、略矩形の取付部１０と、長手形状の梁部１１とが一体成型されたものであって、その取付部１０がセンサ基板３上の隅部に固定される一方、梁部１１の先端がヒータ４に固定されることにより、空洞部２上に架設されている。ここで、ヒータ支持梁５は、梁部１１の根元部分がセンサ基板３の梁受け突起８によって下方から支持されることにより、衝撃等が加わった時にヒータ４の重みで破損しないよう補強されている。尚、ヒータ支持梁５の数は、４本に限られず、ヒータ４を安定して支持可能な範囲で適宜増減が可能である。

温度検出素子６は、ｐ型半導体とｎ型半導体を接合したいわゆるｐｎ接合からなるものである。この温度検出素子６としては、ｐｎ接合に代えて、例えば、物体から放射される赤外線を受け取ってそのエネルギー量に応じた熱起電力を発生する、いわゆるサーモパイル等を用いることも可能である。しかし、本実施例のようにｐｎ接合を用いた方が、より高い感度での温度検出が可能になるという利点がある。

この温度検出素子６は、図１に示すように、横断面略円弧形状を有し、その長手方向中央部が前記素子支持梁７によって支持されることにより、空洞部２上におけるヒータ４から所定距離だけ離れた位置に、その凹側をヒータ４に向けるようにして配設されている。ここで、温度検出素子６は、図２に示すように、長手方向両端部６Ａ，６Ｂがヒータ支持梁５やセンサ基板３に固定されることなく自由端とされるとともに、温度検出素子６の長手方向両端部６Ａ，６Ｂと左右のヒータ支持梁５との間には、所定幅の間隙１２がそれぞれ形成されている。これにより、温度検出素子６は、ヒータ４がＯＮされてその熱を受けた場合には、図２に破線で示すように、長手方向に伸張するように熱変形し、ヒータ４がＯＦＦされて温度が低下した場合には、長手方向に収縮するように熱変形することが可能となっている。このように、温度検出素子６に熱変形を許容することにより、温度検出素子６の内部に熱応力が発生するのを防ぎ、精度良い温度検出ひいては精度良い加速度検出を可能としている。

尚、温度検出素子６の形状は、本実施例以外に、例えば、横断面略矩形に形成することも可能である。しかし、この場合、ヒータ４で加熱されて高温となった球形の空気の塊が温度検出素子６と接触する際に、まず温度検出素子６の中央部のみが球形の空気に接触し、その後徐々に中央部以外の部分に球形の空気が接触することとなり、検出温度の精度に問題がある。この点、温度検出素子６の形状を本実施例のように横断面略円弧形状とすれば、球形の空気の塊に対して、温度検出素子６全体を略同時に接触させることができるので、より正確な温度検出が可能となる。また、温度検出素子６は、その長手寸法を任意に設定可能であるが、長手寸法を短くし過ぎると、素子支持梁７やセンサ基板３の温度変化の影響を受けやすく、精度良く空気の温度を検出することができない。従って、温度検出素子６は、長手寸法をある程度長くして、素子支持梁７から離間した部分を多くした方が、素子支持梁７やセンサ基板３の温度変化の影響を受けにくく、精度良く空気の温度を検出することができる。

この温度検出素子６は、図１に示すように、ヒータ４を挟んで相対向する位置、すなわちヒータ４を中心とした略対称な位置に一対が配置されるとともに、この一対と同一平面内であって略９０°の角度をなす方向にも、ヒータ４を挟んで相対向するようにして他の一対が配置されている。これにより、ヒータ４を包囲するように配置された２対計４個の温度検出素子６によって、加速度のＸ軸方向成分とＹ軸方向成分の検出が可能となっている。尚、本実施例では、加速度の２軸方向成分を検出可能とすべく２対の温度検出素子６を設けているが、本発明に係る温度検出素子６は、少なくとも１対が設けられていれば足りるものである。また、図に詳細は示さないが、ヒータ４を挟んで上下方向にも一対の温度検出素子６を配置して、加速度のＺ軸方向成分を検出することも可能である。

素子支持梁７は、図１に示すように、略矩形の取付部１３と、長手形状の梁部１４とが一体成型されたものであって、その取付部１３が、センサ基板３上における前記梁受けリブ９の位置に固定される一方、梁部１４の先端が温度検出素子６の長手方向中央部に固定されることにより、空洞部２上に架設されている。ここで、素子支持梁７は、その梁部１４が長手方向に渡って梁受けリブ９によって下方から支持されることにより、衝撃等で破損しないように補強されている。尚、本実施例では、素子支持梁７の長手方向両端を自由端として熱変形を許容すべく、梁部１４の先端を温度検出素子６の長手方向中央部に固定しているが、温度検出素子６に熱変形を許容できる範囲であれば、温度検出素子６における任意の位置に梁部１４の先端を固定することが可能である。

以下、熱感知型加速度センサ１による加速度の検出原理について、図３乃至図５に基づいて説明する。図３乃至図５には、図１におけるＡ−Ａ断面を示す概略縦断面図とその温度分布を示すグラフを示している。まず、図３は、ヒータ４がＯＦＦされた状態を示している。この状態では、Ａ−Ａ断面図に一点鎖線で示す密封された空気１５は、センサ基板３の全ての位置において一定の温度Ｔ１である。

次に、図４は、図３に示す状態からヒータ４がＯＮされた状態であって、加速度が加わっていない状態を示している。この状態では、Ａ−Ａ断面図に一点鎖線で示す密封された空気１５は、ヒータ４で加熱されることにより、ヒータ４が配置されたセンサ基板３の中心位置を最高温度Ｔ２として、そこからセンサ基板３の外側に向かって徐々に温度が低下する温度分布となる。この場合、ヒータ４を挟んで相対向する位置に設けられた一対の温度検出素子６は共に温度Ｔ３を検出し、一対の温度検出素子６の検出温度に差がないことにより、加速度の大きさが０であることが検出される。尚、図４のＡ−Ａ断面図に示す二点鎖線は、ヒータ４による加熱を受けて高温となった空気の塊１６を仮想的に示したものである。

次に、図５は、図４に示す状態から所定の大きさの加速度が紙面に向かって右向きに加わった状態を示している。尚、図５のＡ−Ａ断面図には図４に示した高温の空気の塊１６を破線で示し、図５の温度分布グラフには図４の温度分布を一点鎖線で示している。加速度が加わると、高温の空気の塊１６は、その他の低温部分と比較して軽いため、加速度の向きと同方向に移動し、図５に破線で示す位置から二点鎖線で示す位置へと移動する。その結果、図５のＡ−Ａ断面図に示す密封された空気１５は、図５の温度分布グラフに示す温度分布となる。図５に示す温度分布は、ヒータ４の配置されたセンサ基板３の中心位置を最高温度Ｔ２として、そこからセンサ基板３の外側に向かって徐々に温度が低下する点では図４の温度分布と同様である。しかし、センサ基板３における紙面に向かって右半分は、Ｔ２からの温度低下が図４と比較してなだらかである一方、紙面に向かって左半分は、Ｔ２からの温度低下が図４と比較して急激となっている。

密封された空気１５が図５に示す温度分布になると、ヒータ４を挟んで相対向する位置に設けられた一対の温度検出素子６は、センサ基板３における紙面に向かって右半分側に配置された温度検出素子６が温度Ｔ４を検出し、センサ基板３における紙面に向かって左半分側に配置された温度検出素子６が温度Ｔ５を検出する。これにより、一対の温度検出素子６の検出温度差ΔＴ（＝Ｔ４−Ｔ５）に基づいて、加わった加速度の大きさが検出されるものとなっている。

本発明は、密封された空気をヒータで加熱してヒータを挟んだ対向位置で温度を検出し、その検出温度差に基づいて加わった加速度の大きさを検出する熱感知型加速度センサに適用可能である。

本発明の実施例に係る熱感知型加速度センサ１の外観を示す概略斜視図。 図１においてある１個の温度検出素子６について拡大した部分拡大斜視図。 図１におけるＡ−Ａ断面を示す概略縦断面図とその温度分布を示すグラフ。 図１におけるＡ−Ａ断面を示す概略縦断面図とその温度分布を示すグラフ。 図１におけるＡ−Ａ断面を示す概略縦断面図とその温度分布を示すグラフ。 従来例に係る熱感知型加速度センサ７０を示す概略平面図。

符号の説明

１ 熱感知型加速度センサ
３ センサ基板
４ ヒータ
６ 温度検出素子
１５ 密封された空気

Claims (3)

1. カバー部材で覆われることで周囲の空気が密封されてなるセンサ基板に、密封された空気を加熱するためのヒータと、該ヒータを挟んだ相対向する位置において密封された空気の温度をそれぞれ検出する一対の温度検出素子とが設けられ、該一対の温度検出素子の検出温度差に基づいて、密封された空気に加わった加速度の大きさを検出する熱感知型加速度センサにおいて、
   前記各温度検出素子は、熱変形自在な状態でその一部が前記センサ基板に固定されたことを特徴とする熱感知型加速度センサ。
2. 前記各温度検出素子が、ｐｎ接合からなることを特徴とする請求項１に記載の熱感知型加速度センサ。
3. 前記各温度検出素子が、横断面円弧形状であって、その凹側を前記ヒータに向けて配置されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の熱感知型加速度センサ。

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