JP4519849B2 - ３つの位置センサを備える６自由度を有する運動検出器およびセンサの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、３つの位置センサが３つの軸に沿って配列されたサポートを備え、各センサは剛性ボディ、剛性ボディに配置された導電性エリア、および、導電性エリアから分離されている静止位置を与え、所定の方向および方位の高速運動に応答して静止位置から動作位置へ動く電気的導電性のある変形可能エレメントを備えた、６自由度を有する運動検出器に関係する。

本発明はセンサの製造方法にさらに関係する。

６自由度の運動検出器の分野では、検出器は、正確な位置決め値を取得するために測定量を連続的に送信する位置センサを備える。既知の検出器は、運動表示を得るために、機械的な要請、たとえば、ハンドルへの作用に応答する。

よって、文献米国特許第５８５４６２２号は、ユーザが作用を及ぼすハンドルを備え、６自由度の運動を検出し、使用されるセンサが機械軸に取り付けられた可変抵抗器またはキャパシタである測定装置について記載する。

文献米国特許第５１２８６７１号は、６つの加速度計がジョイスティック型の固体に統合された複数自由度をもつ運動検出器について記載する。２つの加速度計は検出器の基準軸のそれぞれに配置され、この特別な軸に対応する単一運動に対する感度がある。加速度計は、たとえば、柔軟片持ち梁によって形成される。

上記の装置は、持続的な変化の検出を可能にし、機械軸への作用を必要とする。それらは、固体に与えられた、たとえば、衝撃または高速運動によって生じる小さい衝撃運動、小さい振幅の検出のためには全く不適当である。

さらに、文献米国特許第５６１０３３７号は、中心部分で平衡が保たれたロッキングビームによって形成された高感度エレメントを備える加速度計について記載する。このタイプの加速度計は回転または並進を単一軸に関して検出することを可能にする。

発明の目的は、上記の欠点を示すことがない検出器、特に、衝撃運動の検出を可能にする６自由度の運動検出器を提供することである。

本発明によれば、この目的は、請求項に係る検出器によって、より詳細には、変形可能エレメントがその中心部分の周りで平衡を保ちかつ複数の動作位置を備え、各動作位置が２自由度に対応し、変形可能エレメントが各動作位置において導電性エリアのうちの２個と一時的に接触する、という事実により達成される。

好ましい実施形態によれば、センサの剛性ボディは、対向するように配置された２枚の基板を備え、２枚の基板は、その一方の基板の導電性エリアともう一方の基板に形成された出力電気的接触エリアとの間に電気的相互接続を構成するボールによって接続されている。

本発明のさらなる目的はセンサの製造方法を提供することであり、このセンサの製造方法は、
導電性エリアの基板のそれぞれに電源接触エリアを形成し、一方の基板に出力電気的接触エリアを形成するステップと、
基電源接触エリアと接触しかつ変形可能ハーフエレメントを形成するために設計された導電性層を支持する中心支柱を、板のそれぞれに形成するステップと、
出力電気的接触エリアにボールを設置するステップと、
対向するように配置された２枚の基板をハイブリッド化するステップと、
を含む。

その他の効果および特長は、限定的ではない単なる例として記載され、添付図面に示された以下の発明の具体的な実施形態の説明からより明白になるであろう。

図１によると、６自由度の運動検出器は、３つの位置センサ２ａ、２ｂおよび２ｃが３本の直交軸Ｘ、ＹおよびＺに沿って取り付けられたサポート１を備える。各センサは、ある特定の閾値から、２つの特定の自由度に従って、すなわち、並進および回転に従って記録された衝撃に対して感度を有する。センサ２ａ、すなわち、「ＲｘＴｙ」センサは、Ｘ軸に関する回転とＹ軸に関する並進とに対して感度を有する。センサ２ｂ、すなわち、「ＲｙＴｚ」センサは、Ｙ軸に関する回転とＺ軸に関する並進とに対して感度を有する。そして、センサ２ｃ、すなわち、「ＲｚＴｘ」センサは、Ｚ軸に関する回転とＸ軸に関する並進とに対して感度を有する。

これらの衝撃を検出するために、各位置センサ２は、図２〜７に示された平衡原理を使用する。各センサ２は剛性ボディ３により形成され、その内側では変形可能エレメント４が、通常、サポート手段５によって中心点の周りで平衡を保ち（図２および３）、サポート手段５は、その変形可能エレメント４に関して対称であり、剛性ボディ３に固定して取り付けられた２つの部品５ａおよび５ｂにより構成されている。サポート手段の一方の部品５ｂは、直流電圧＋Ｖｄｃを供給する電力供給回路へ電気的に接続される。導電性エリア６は、剛性ボディ３（エリア６ｂ）と変形可能エレメント４（エリア６ｂ）にそれぞれ配置される。変形可能エレメント４は、図２および３に示されたその静止位置の周りで振動し、不可逆的な変形を受けることなくそのもとの位置へ戻ることができる、薄く柔軟なボディを意味する。変形可能エレメント４は、特に、図８に示されるように円盤型を有し、または、図９に示されるように梁の形状を有する。変形可能エレメント４の導電性エリア６ａは部品５ｂへ電気的に接続され、たとえば、図８および９に示されるように、変形可能エレメント４の周囲および端に位置し得る。変形可能エレメント４の静止位置において、変形可能エレメント４の導電性エリア６ａは剛性ボディ３の導電性エリア６ｂから分離される。後者は、図４〜７に示されるように、センサの動作位置で選択的に変形可能エレメント４の導電性エリア６ａと接触するように剛性ボディ３の内側および所定の場所に置かれる。

図４〜７に示された具体的な実施形態では、剛性ボディ３は、実質的に矩形かつ中空であり、２つの内壁は静止位置の変形可能エレメント４と実質的に平行である。少なくとも２つの導電性エリア６ｂがこれらの壁のそれぞれ、すなわち、頂部および底部のそれぞれに設けられる。

静止位置において重力Ｇによって妨害されないように、センサ２の変形可能エレメント４は、それ自体の重量の影響下で撓むことがないように十分に剛性があること、かつ、静止位置において剛性ボディ３と接触しないことが必要である。変形可能エレメントは、その加速度が最大でも重力Ｇと同じに維持されるどのような運動に対しても、静止位置において、平衡が保たれる。

図２〜１０に示された具体的な実施形態では、回転または並進運動がある特定の閾値を越えるとき、変形可能エレメント４の導電性エリア６ａは、不平衡または変形によって、短期間、剛性ボディ３の一部の導電性領域６ｂと接触する。変形可能エレメント４に配置された導電性エリア６ａは、これによって、剛性ボディ３の一部の導電性エリア６ｂと短期間接触する。この短期間の接触は、センサ２のすべての導電性エリア６ｂに接続された電子処理回路１５によって検出可能である（図１０）。各センサは、それぞれが導電性エリア６ｂに対応する４つの信号Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２およびＳ３を返信する。センサ２の変形可能エレメント４の静止位置において、すべての導電性エリア６ｂは、導電性エリア６ａから分離され、バイナリ信号Ｓ０〜Ｓ３を電子処理回路１５へ供給し、これらの信号は第１の値、たとえば、０をとる。導電性エリア６ｂが変形可能エレメント４の導電性エリア６ａと接触するとき、導電性エリア６ｂは次に電源＋Ｖｄｃと接続され、第２のバイナリ値（検討された実施例では１）を有する対応信号を供給する。電子処理回路１５は、センサ２の異なる導電性エリア６ｂによって供給された信号Ｓ０〜Ｓ３を継続的に解析し、そこから運動のタイプおよび方向を推定する。センサ２の取り得る運動とそれに関連する信号Ｓ０〜Ｓ３との間の対応関係は以下の表に示される。

よって、静止位置（図２および３）では、変形可能エレメント４の導電性エリア６ａと剛性ボディ３の導電性エリア６ｂとの間に接触がなく、４つの信号Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２およびＳ３は０である。したがって、２値の組み合わせ００００が得られる。

図４および５において、変形可能エレメント４は、それぞれ、上向きおよび下向きに撓むので、その端６ａは、同時に、変形可能エレメント４の上方と変形可能エレメント４の下方のそれぞれで、剛性ボディ３の同じ側に共に位置する２つの導電性領域６ｂと接触する。

図２によるセンサの下向き並進の場合（図４）、変形可能エレメント４は運動の方向と反対側で導電性エリア６ｂの高さレベルで剛性ボディ３と接触する。信号Ｓ１およびＳ３は１であり、信号Ｓ０およびＳ２は０である。したがって、２値の組み合わせ０１０１が得られる。

図２によるセンサの上向き並進の場合（図５）、変形可能エレメント４は運動の方向と反対側で導電性エリア６ｂの高さレベルで剛性ボディ３と同様に接触する。信号Ｓ１およびＳ３は０であり、信号Ｓ０およびＳ２は１である。したがって、２値の組み合わせ１０１０が得られる。

図６および７において、変形可能エレメント４は旋回するので、その端６ａは、同時に、剛性ボディ３の頂壁の導電性エリア６ｂと接触し、剛性ボディ３の底壁の導電性エリア６ｂと接触する。

図２によるセンサの左回転の場合（図６）、変形可能エレメント４は対向する面に位置する２つの導電性エリア６ｂの高さレベルで剛性ボディ３と接触する。信号Ｓ２およびＳ３は１であり、信号Ｓ０およびＳ１は０である。したがって、２値組み合わせ００１１が得られる。

図２によるセンサの右回転の場合（図７）、変形可能エレメント４は対向する面に位置する２つのその他の導電性エリア６ｂの高さレベルで剛性ボディ３と接触する。信号Ｓ２およびＳ３はこのとき０であり、信号Ｓ０およびＳ１は１である。したがって、２値組み合わせ１１００が得られる。

よって、図１０によれば、たとえば、センサ２ａ（「ＲｘＴｙ」センサ）が組み合わせ１０１０を供給し、センサ２ｂ（「ＲｙＴｚ」センサ）が組み合わせ１１００を供給し、センサ２ｃ（「ＲｚＴｘ」センサ）が組み合わせ００００を供給するならば、電子処理回路１５は、そこから、センサ２ａが上向きに並進すること、すなわち、Ｙに沿って正方向に並進し、センサ２ｂが右へ回転すること、すなわち、Ｙに沿って正方向へ回転し、センサ２ｃが静止位置であることを推定する。これは、次に、＋Ｙに沿って並進し、＋Ｙに従って回転するサポート１の運動として解釈される。

示されていない別の実施例では、センサ２ａ（「ＲｘＴｙ」センサ）が組み合わせ００１１を供給し、センサ２ｂ（「ＲｙＴｚ」センサ）が組み合わせ０１０１を供給し、センサ２ｃ（「ＲｚＴｘ」センサ）が組み合わせ０１０１を供給するならば、電子処理回路１５は、そこから、センサ２ａが左へ回転すること、すなわち、Ｘに沿って負方向に回転し、センサ２ｂが下向きに並進すること、すなわち、Ｚに沿って負方向に並進し、センサ２ｃが下向きに並進すること、すなわち、Ｘに沿って負方向に並進することを推定する。これは、−Ｚに沿った並進と結合された、−Ｘに従った並進および回転におけるサポート１の運動として解釈される。

図８に示された具体的な実施形態では、変形可能エレメント４は、その中心軸周りで平衡が保たれた厚さの薄い円盤である。導電性エリア６ａは、円盤の２面の円周、すなわち、周囲に配置され、電源が供給されるべき放射状導電性エリア６ｃによってサポート手段５の部分５ｂに接続される。図９に示された代替的な実施形態では、変形可能エレメント４は厚さの薄い梁であり、その梁の中央横軸（transverse median axis）の周りで平衡を保つ。導電性エリア６ａは、このとき、頂面および底面の両方で梁の両端に配置され、導電性縦向き中心エリア６ｄによって、電源が供給されるべきサポート手段の部分５ｂに接続される。

図１５に示された具体的な実施形態によれば、センサ２はマイクロエレクトロニクス技術によって実現され得る。センサ２の剛性ボディ３は、次に、対向して配置された２枚の基板７ａおよび７ｂのハイブリッド化によって形成され、導電性ボール８によって電気的かつ機械的に接続される。より読み取りやすくするために、１個のボールが図１５に示されている。各基板は、導電性エリア６ｂと、導電性層１２を支える中心支柱１１が形成された中心電源接触エリア１０とを有する。導電性層１２は、その端に、基板と対向する突出エリアを備え、接触エリア６ａを構成する。このように、変形可能エレメント４は、２個のハーフエレメントの組み合わせによって形成され、２個のハーフエレメントのそれぞれは中心支柱１１によって支持された導電性層１２によって形成され、かつ、基板７ａおよび７ｂとにそれぞれ関連付けられている。その２個のハーフエレメントの導電性層１２は、好ましくは、図１５に示されるように、スペースによって分離される。

基板の一方、図１５における７ｂは、センサの出力電気的接触エリア９をさらに備える。各センサは、それぞれがセンサにおける異なる導電性エリア６ｂに接続された４つのエリア９を備え、それにより、対応する信号Ｓ０〜Ｓ３を電子処理回路１５へ送信することができる。ボール８は、基板７ａの導電性エリア６ｂとセンサの対応する出力電気的接触エリア９との間に電気的相互接続を構築する。ボール８の個数は、作成されるべき電気的相互接続の個数と、２枚の基板７ａおよび７ｂが組み立てられた後にセンサに要求される機械的強度とに応じて適合される。

図１５によるセンサの具体的な実施形態は図１１〜１５に関してより詳細に説明される。第一に（図１１）、導電性エリア６ｂ、もしあれば出力電気的接触エリア９、および、電源接触エリア１０が基板７ａまたは７ｂ上の金属接点の形で実現される。基板７ａおよび７ｂは、好ましくは、たとえば、約１マイクロメートルの厚さを有する酸化膜１６を有するシリコン酸化物で形成される。金属接点は、好ましくは、金（Ａｕ）または鉄とニッケルとの合金（ＦｅＮｉ）のような酸化しない金属から作られる。たとえば、樹脂またはシリコン酸化物（ＳｉＯ_２）で作られた犠牲層１４が次に基板に堆積され、支柱１１および膜１２のための型を形成するように適当な手段によってエッチングされる。図１２に示されるように、導電性サブレイヤ１３が次にエッチングされた犠牲層１４に堆積される。導電性サブレイヤ１３は、好ましくは、酸化しない金属（Ａｕ，ＦｅＮｉ）で作られる。支柱１１および導電性層１２は、たとえば、鉄ニッケル合金で作られ、次に、電解成長によって電源接触エリア１０の上に形成される。研磨は、表面を滑らかにし、導電性層１２の周囲で導電性サブレイヤ１３を除去するために実行される（図１３）。次に（図１４）、犠牲層１４の除去は、基板７ｂに関連付けられた変形可能ハーフエレメントが得られるようにする。次に、ボール８が特に基板７ｂの出力電気的接触エリア９に形成される。次に、図１５に示されるように、対向するように配置された２枚の基板７ａおよび７ｂのハイブリッド化はフリップチッププロセスによって実行され、すなわち、基板７ａが裏返され、ボール８を支える基板７ｂに取り付けられる。したがって、ボールは頂部基板７ａから底部基板７ｂに通じる電気的経路を作ることを可能にし、すべての接点が容易に利用できるようにする。それらは組立体の良好な機械的強度をさらに提供する。

上記の検出器は、したがって、３つの同一のセンサを備え、各センサが回転および並進に感度をもち、かつ、各センサが図３〜７に示された５つの状態を有する。したがって、それは運動のタイプと運動の方向との両方を決定することが可能である。その上、各センサは、それが感度をもつ方向以外の方向に生じる変動に対しては感度がない。さらに、検出器はバイナリ状態を使用するので、キャリブレーションを必要としない。

本発明による検出器は、３つの位置センサだけを用いて６自由度で、ある特定の閾値を超え、連続的な信号ではない衝撃を検出する機能を有する。検出閾値の存在は、マウスがマットから外れたときにマウスに適用されるように、装置が相対的な環境で使用されることを可能にさせ、新しいコンピュータナビゲーションモードを想定することを可能にさせる。さらに、ＭＥＭＳ（マイクロエレクトロメカニカルシステム）タイプのマイクロテクノロジを使用することにより、超低コスト、および、小さい全体的寸法を実現することが可能である。検出器は、したがって、ユーザの手に収まり、携帯型パーソナルツール、特に、携帯電話機、または、ポケットＰＤＡ（携帯情報端末）に容易に統合され、それらの機能を高める。

本発明は上記の実施形態に限定されない。特に、３軸Ｘ、ＹおよびＺは直交しなくてもよい。

本発明による３つの位置センサを備えた運動検出器の具体的な実施形態の略斜視図である。 水平静止位置における図１によるセンサの具体的な実施形態の断面図である。 垂直静止位置における図１によるセンサの具体的な実施形態の断面図である。 下向きの並進に応答する図２によるセンサの断面図である。 上向きの並進に応答する図２によるセンサの断面図である。 左への回転に応答する図２によるセンサの断面図である。 右への回転に応答する図２によるセンサの断面図である。 図２によるセンサの円盤形の変形可能エレメントの斜視図である。 図２によるセンサの梁形の変形可能エレメントの斜視図である。 本発明による検出器の処理回路への電気的相互接続を概略的に示す図である。 図２によるセンサの製造の連続的な段階の１つを示す断面図である。 図２によるセンサの製造の図１１に続く段階を示す断面図である。 図２によるセンサの製造の図１２に続く段階を示す断面図である。 図２によるセンサの製造の図１３に続く段階を示す断面図である。 図２によるセンサの製造の図１４に続く段階を示す断面図である。

Claims (11)

1. ３つの位置センサ（２ａ）、（２ｂ）および（２ｃ）が３つの直交軸に従って配置されたサポート（１）を備え、
   各センサが、
   剛性ボディ（３）と、
   前記剛性ボディ（３）に配置された導電性エリア（６ｂ）と、
   静止位置において前記導電性エリア（６ｂ）から分離されるように位置づけられた導電性のある変形可能エレメント（４）であって、所定の軸に沿った並進の運動または所定の軸周りの回転の運動に反応して前記静止位置から動作位置へ動く変形可能エレメント（４）とを備え、
   各センサ（２ａ，２ｂ，２ｃ）は、前記剛性ボディ（３）の二つの対向する第１および第２の内壁に２つずつ配置された４つの導電性エリア（６ｂ）を含み、
   各センサ（２ａ，２ｂ，２ｃ）と関連付けられた前記変形可能エレメント（４）は、該変形可能エレメント（４）の中心部分の周りで平衡を保ち、並びに、
   前記変形可能エレメント（４）は、該変形可能エレメント（４）の端を前記第１の内壁の２つの導電性エリア（６ｂ）あるいは前記第２の内壁の２つの導電性エリア（６ｂ）に同時かつ一時的に接触させる撓みによって前記所定の軸に沿った並進に反応し、または、前記変形可能エレメント（４）の端を前記第１の内壁の１つの導電性エリアおよび前記第２の内壁の１つの導電性エリア（６ｂ）に同時かつ一時的に接触させる旋回によって前記所定の軸周りの回転に反応することを特徴とする、６自由度を有する運動検出器。
2. 前記３つのセンサの前記導電性エリア（６ｂ）に接続された電子処理回路（１５）を備えることを特徴とする請求項１に記載の検出器。
3. 前記変形可能エレメント（４）は、該変形可能エレメントの中央横軸の周りで平衡を保つ梁であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の検出器。
4. 前記梁がその端に導電性エリア（６ａ）を備えることを特徴とする請求項３に記載の検出器。
5. 前記変形可能エレメント（４）は、該変形可能エレメントの中心軸の周りで平衡を保つ円盤であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の検出器。
6. 前記円盤は、該円盤の各面に周辺導電性領域（６ａ）を備えることを特徴とする請求項５に記載の検出器。
7. 前記変形可能エレメント（４）は、前記センサの前記剛性ボディ（３）に配置された電源接触エリア（１０）へ電気的に接続されることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の検出器。
8. 前記変形可能エレメント（４）は、自重によって撓まないような充分な硬さを有し、前記静止位置において前記剛性ボディと接触しないことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の検出器。
9. 前記センサの前記剛性ボディは、対向して配置され、かつ、一方の基板（７ａ）の前記導電性エリア（６ｂ）ともう一方の基板（７ｂ）に形成された出力電気的接触エリア（９）との間に電気的相互接続を構成するボール（８）によって接続された２枚の基板（７ａ）および（７ｂ）を備えることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の検出器。
10. 前記変形可能エレメント（４）は、導電性層（１２）により構成された２つの変形可能ハーフエレメントによって形成され、前記導電性層（１２）は中心支柱（１１）によって支持され、前記中心支柱（１１）は中心電源接触エリア（１０）に形成され、前記中心電源接触エリア（１０）は前記対応する基板（７ａ，７ｂ）に形成されていることを特徴とする請求項９に記載の検出器。
11. 請求項１０に記載されたセンサを製造する方法であって、マイクロエレクトロニクス技術によって実現され、
    導電性エリア（６ｂ）の前記基板（７ａ，７ｂ）のそれぞれに電源接触エリア（１０）を形成し、一方の基板（７ｂ）に出力電気的接触エリア（９）を形成するステップと、
    前記基板（７ａ，７ｂ）のそれぞれに、前記電源接触エリア（１０）と接触する中心支柱（１１）を形成し、該中心支柱（１１）は、変形可能ハーフエレメントを形成するために設計された導電性層（１２）を支持するステップと、
    前記出力電気的接触エリア（９）にボール（８）を設置するステップと、
    対向して配置された２枚の前記基板（７ａ）および（７ｂ）をハイブリッド化するステップと、を含むことを特徴とする方法。

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