JP2008157706A - センサ - Google Patents

Abstract

【課題】非常に大きな衝撃が検出素子に加わっても、検出素子の破壊を抑制したセンサを提供することを目的としている。
【解決手段】この検出素子２４は、第１アーム２６を第２アーム２８に略直交方向に連結して形成した２つの直交アームと、２つの第１アーム２６の一端を支持する支持部３０とを有し、第１アーム２６はメアンダ形状であって弾性を有し、支持部３０に対して対称形状としており、第１アーム２６には歪抵抗素子を設けた構成である。
【選択図】図１

Description

本発明は、航空機、自動車、ロボット、船舶、車両等の移動体の姿勢制御やナビゲーション等、各種電子機器に用いるセンサに関するものである。

以下、従来のセンサの一つである加速度センサについて説明する。

図６において、従来の加速度センサは、加速度を検出する検出素子１と、この検出素子１から出力される加速度信号を演算処理して加速度を検出する処理回路（図示せず）を備えている。この検出素子１は、錘部２を支持した支持部４と、可撓部６を介して支持部４と連結された固定部７とを有しており、この固定部７によって検出素子１が実装基板に実装されている。

また、可撓部６はアーム形状であって、この可撓部６は支持部４を中心にして十字状に配置し、各々２つの可撓部６と支持部４とが同一直線上に配置されるようにしている。

可撓部６には歪抵抗素子８を設けており、錘部２の可動に起因して撓む可撓部６の状態変化に基づき、歪抵抗素子８の抵抗値変化を加速度信号として出力している。

次に、加速度の検出について説明する。

互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、Ｘ軸方向とＹ軸方向に十字状のアームからなる可撓部６を配置した場合、例えば、Ｘ軸方向に加速度が生じると、錘部２が加速度の生じた軸方向に移動しようとするために、Ｘ軸方向に配置された２つの可撓部６の内、一方の可撓部６にはＺ軸の正の方向に撓みが発生し、他方の可撓部６にはＺ軸の負の方向に撓みが発生する。そうすると、２つの可撓部６に設けた２つの歪抵抗素子８も、可撓部６の撓みに応じてＺ軸の正負の方向に撓むので、歪抵抗素子８の抵抗値が変化する。この抵抗値変化を加速度信号として出力して加速度を検出するものである。通常使用では、重力加速度の数倍程度の加速度が加わる。

このような加速度センサを検出したい検出軸に対応させて、車両等の移動体の姿勢制御装置やナビゲーション装置等に用いている。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開平１０−４８２４３号公報

上記構成では、衝撃や振動が実装基板に加わると、この実装基板に実装された固定部７を介して、これら衝撃や実装基板が検出素子１に伝わる。

例えば、この検出素子１を車両等に搭載し、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、Ｘ軸方向とＹ軸方向に十字状のアームからなる可撓部６を配置した場合、Ｘ軸方向に車両等が悪路や段差を走行すると、検出素子１のＸ軸方向に重力加速度の数千倍から１万倍程度の衝撃が加わることがある。

このような異常加速度が生じると、検出素子１のアームからなる可撓部６に応力が集中して、可撓部６にクラックや割れが生じて検出素子１が破壊されるという問題点を有していた。

本発明は上記問題点を解決するもので、非常に大きな衝撃が検出素子に加わっても、検出素子の破壊を抑制したセンサを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために本発明は、錘部を支持した支持部と、可撓部を介して前記支持部と連結された固定部とを有する検出素子を備え、前記可撓部は弾性を有し、前記可撓部を少なくとも２つ設けるとともに前記可撓部と前記支持部とを同一直線上に配置しており、前記錘部の可動に起因して撓む前記可撓部の状態変化に基づき、加速度または角速度の少なくともいずれかを検出する構成である。

上記構成により、可撓部は弾性を有するので、非常に大きな衝撃が検出素子に加わっても、可撓部の特定箇所に応力が集中しにくく分散されるので、可撓部にクラックや割れが発生しにくい。よって、検出素子が破壊されるのを抑制できる。

また、可撓部を少なくとも２つ設けるとともに可撓部と支持部とを同一直線上に配置しているので、非常に大きな衝撃が同一直線方向に加わるようにすれば、または加わった場合は、より応力の集中を分散でき、可撓部にクラックや割れが発生しにくい。

以下、本発明の一実施の形態におけるセンサについて図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の一実施の形態におけるセンサの検出素子の斜視図、図２は同検出素子の平面図、図３は角速度センサ用の配線パターン形成時の同センサの平面図、図４は図３のＡ−Ａ断面図である。

図１〜図２において、加速度センサは、加速度を検出する検出素子２４と、この検出素子２４から出力される加速度信号を演算処理して加速度を検出する処理回路（図示せず）を備えている。

この検出素子２４は、第１アーム２６を第２アーム２８に略直交方向に連結して形成した２つの直交アームと、２つの第１アーム２６の一端を支持する支持部３０とを有し、第１アーム２６と支持部３０とを略同一直線上に配置している。第１アーム２６の厚みは第２アーム２８の厚みよりも非常に薄く形成しており、第１アーム２６の他端を枠体形状の固定部２０に接続し、この固定部２０によって検出素子２４が実装基板に実装されている。

第１アーム２６はメアンダ形状であって弾性を有し、支持部３０に対して対称形状としており、この第１アーム２６上には歪抵抗素子を配置している。第２アーム２８は第２アーム２８自身と対向するまで折曲しており、折曲した第２アーム２８の先端部に錘部２２を連結している。第１アーム２６、第２アーム２８、支持部３０が可撓部に相当する。

錘部２２と固定部２０との離間距離（Ｈ）は、抗折強度を超える前に、錘部２２が固定部２０に接触する距離としている。ここでいう抗折強度を超える前にとは、通常使用の加速度（重力加速度の数倍程度）の範囲を超えて可撓部に破壊が生じる程度の加速度のことをいい、例えば、車両に加速度センサを搭載して、車両が悪路や段差等を走行した際に発生する重力加速度の数千倍から１万倍程度の衝撃に基づく加速度をいう。

この検出素子２４は、シリコンを主成分とする材料（ガラスまたは線膨張係数がシリコンに近似した材料も含む）からなり、一体成形している。

次に、加速度の検出について説明する。

互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、Ｘ軸方向に第１アーム２６を配置し、Ｙ軸方向に第２アーム２８を配置した場合、例えば、Ｘ軸方向に加速度が生じると、錘部２２が加速度の生じたＸ軸方向に移動しようとするために、Ｘ軸方向に配置された２つの第１アーム２６の内、一方の第１アーム２６にはＺ軸の正の方向に撓みが発生し、他方の第１アーム２６にはＺ軸の負の方向に撓みが発生する。そうすると、２つの第１アーム２６に設けた２つの歪抵抗素子も、第１アーム２６の撓みに応じてＺ軸の正負の方向に撓むので、歪抵抗素子の抵抗値が変化する。この抵抗値変化を加速度信号として出力して加速度を検出するものである。通常使用では、重力加速度の数倍程度の加速度が加わる。

上記構成により、可撓部であるメアンダ形状の第１アーム２６は弾性を有するので伸縮性があり、非常に大きな衝撃が検出素子２４に加わっても、第１アーム２６の特定箇所に応力が集中しにくく分散され、第１アーム２６にクラックや割れが発生しにくい。衝撃が加わった際、一方のメアンダ形状の第１アーム２６は圧縮され、他方のメアンダ形状の第１アーム２６は伸張することにより、特定箇所に応力が集中しない。よって、検出素子２４が破壊されるのを抑制できる。また、メアンダ形状であれば、錘部２２を保持している第１アーム２６の実効長が長くなるので、加速度に対する歪抵抗素子の歪量が大きくなり感度も向上する。

さらに、第１アーム２６を少なくとも２つ設けるとともに第１アーム２６と支持部３０とを同一直線上に配置しているので、衝撃が同一直線方向に加わるようにすれば、衝撃が非常に大きくても応力の集中を分散でき、第１アーム２６にクラックや割れが発生しにくい。

なお、本発明の実施の形態では、加速度センサの検出は歪抵抗素子を用いたが、錘部２２と対向させた基板と、錘部２２および基板の各々の対向面に配置した対向電極とを設け、対向電極間の静電容量変化を検出して加速度を検出してもよい。

また、本発明の実施の形態では、センサとして加速度センサについて説明したが、角速度センサを共有した複合的なセンサであってもよい。

例えば、図３、図４に示すように、４つの第２アーム２８の内、第２アーム２８を駆動するための駆動電極部３２を１つの第２アーム２８に配置し、この駆動電極部３２を配線した第２アーム２８に対向する第２アームに第２アーム２８の駆動状態を検知する検知電極部３４を配置し、第２アーム２８の撓みを感知する感知電極部３６を残りの２つの第２アーム２８に配置しておく。駆動電極部３２、検知電極部３４、感知電極部３６は上下電極３７、３８間に圧電体層３９を介在させて構成したものである。

この場合、２つの駆動電極部３２に交流電圧を印加すると、第２アーム２８は第１アーム２６の方向に駆動振動し、この第１アーム２６の駆動振動に伴って、第１アーム２６の先端に連結した錘部２２も駆動振動し、さらに、これらの駆動振動に伴って、４つの第２アーム２８および錘部２２も駆動振動する。

この駆動振動状態において、角速度が生じると、第２アーム２８に撓みが生じるとともにこの撓みを感知電極部３６が感知して角速度信号を出力するので、これを検出すればよい。

さらに、図５に示すように、錘部２２に溝部４０を設けるとともに、この溝部４０に対向するように固定部２０に突出部４２を設け、溝部４０と突出部４２との離間距離を、可撓部の抗折強度を超える前に、溝部４０の内壁に突出部４２が接触する距離としてもよい。

この場合、互いに接触する部分は、固定部２０に設けた突出部４２と錘部２２であって、検出素子２４の感度に影響する第１アーム２６や第２アーム２８等の可撓部が固定部２０に接触しないので、測定範囲以上の大きな加速度や衝撃が検出素子２４に発生しても、より信頼性の高い素子を実現することが可能になる。

本発明に係るセンサは、非常に大きな衝撃が検出素子に加わっても、検出素子の破壊を抑制できるので、各種電子機器に適用できるものである。

本発明の一実施の形態におけるセンサの検出素子の斜視図 同検出素子の平面図 角速度センサ用の配線パターンを配置した同センサの平面図 図３のＡ−Ａ断面図 他の検出素子の平面図 従来のセンサの平面図

符号の説明

２０ 固定部
２２ 錘部
２４ 検出素子
２６ 第１アーム
２８ 第２アーム
３０ 支持部
３２ 駆動電極部
３４ 検知電極部
３６ 感知電極部
３７ 上部電極
３８ 下部電極
３９ 圧電体層
４０ 溝部
４２ 突出部

Claims (8)

1. 錘部を支持した支持部と、可撓部を介して前記支持部と連結された固定部とを有する検出素子を備え、
   前記可撓部は弾性を有し、前記可撓部を少なくとも２つ設けるとともに前記可撓部と前記支持部とを同一直線上に配置しており、前記錘部の可動に起因して撓む前記可撓部の状態変化に基づき、加速度または角速度の少なくともいずれかを検出するセンサ。
2. 前記錘部と前記固定部との離間距離は、前記可撓部の抗折強度を超える前に、前記錘部が前記固定部に接触する距離とした請求項１記載のセンサ。
3. 前記可撓部は、前記支持部に対して対称形状とした請求項１記載の慣性力センサ。
4. 前記可撓部はメアンダ形状とした請求項１記載のセンサ。
5. 前記可撓部の厚みは前記固定部の厚みよりも薄くした請求項１記載のセンサ。
6. 前記錘部と対向させた基板と、前記錘部および前記基板の各々の対向面に配置した対向電極とを設け、前記対向電極間の静電容量変化を検出して加速度を検出する請求項１記載のセンサ。
7. 前記可撓部に歪抵抗素子を配置し、前記歪抵抗素子の抵抗値変化を検出して加速度を検出する請求項１記載のセンサ。
8. 前記錘部に溝部を設けるとともに、前記溝部を対向するように前記固定部に突出部を設け、前記溝部と前記突出部との離間距離は、前記可撓部の抗折強度を超える前に、前記突出部が前記溝部に接触する距離とした請求項１記載のセンサ。

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