JPH0584870B2 - - Google Patents
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- JPH0584870B2 JPH0584870B2 JP62101270A JP10127087A JPH0584870B2 JP H0584870 B2 JPH0584870 B2 JP H0584870B2 JP 62101270 A JP62101270 A JP 62101270A JP 10127087 A JP10127087 A JP 10127087A JP H0584870 B2 JPH0584870 B2 JP H0584870B2
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
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- G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
- G01P2015/0805—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration
- G01P2015/0822—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass
- G01P2015/084—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass the mass being suspended at more than one of its sides, e.g. membrane-type suspension, so as to permit multi-axis movement of the mass
Landscapes
- Pressure Sensors (AREA)
- Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
Description
〔産業上の利用分野〕
本発明は加速度・傾斜度検出装置、特に三次元
座標系における加速度・傾斜度を検出することが
できる加速度・傾斜度検出装置に関する。 〔従来の技術〕 ロボツトをはじめとする運動を伴う種々の産業
機器では、三次元座標系における加速度・傾斜度
の検出が必要になる。すなわち、XYZの３軸で
表現される三次元座標系において、加速度の向き
と大きさおよび機器の傾斜度を検出する必要が生
じる。従来、一般に用いられているこの種の検出
装置は、加速度は起因する応力歪みをストレーン
ゲージなどで電気量に変換することによつて加速
度の検出を行つている。通常は片持梁の構造体に
ストレーンゲージを貼り付け、この片持梁の応力
歪みによつて特定の方向の加速度検出を行う。ま
た、傾斜度については水準器を用いるのが最も基
本的な測定方法となるが、最近ではジヤイロを用
いて傾斜度の測定が行われている。 〔発明が解決しようとする問題点〕 しかしながら、前述した従来の加速度・傾斜度
検出装置には、構造が複雑で量産性に適さないと
いう問題点がある。たとえば、水準器を用いて傾
斜度を測定しようとしても、水準器は傾斜だけで
なく加速度にも応答してしまうため、これを補償
する何らかの手段が必要になる。また、ジヤイロ
を用いると装置自体がかなり複雑なものとなつて
しまう。結局、加速度と傾斜度との両方を独立し
て検出でき、かつ、構造が単純な装置が従来なか
つたのである。 そこで、本発明は構造が単純で量産に適し、し
かも加速度と傾斜度との両方を独立して検出でき
る加速度・傾斜度検出装置を提供することを目的
とする。 〔問題点を解決するための手段〕 本発明は、三方向を検出軸とし、この各検出軸
方向の加速度を独立して検出しうる第１の加速度
センサと、 少なくとも二方向を検出軸とし、この各検出軸
方向の加速度を独立して検出しうる第２の加速度
センサと、 この一対のセンサの各検出軸のうち少なくとも
２組が互いに平行にはならない方向に向くよう
に、一対のセンサを固着支持する基体と、 一対のセンサのそれぞれの検出軸について得ら
れる少なくとも５つの検出値に基づいて、基体に
作用する加速度の方向と大きさ、基体の傾斜度を
求める演算装置と、 によつて加速度・傾斜度検出装置を構成したも
のである。 〔作用〕 本発明に係る装置によれば、両方のセンサから
２つまたは３つずつの検出値、合計で５つの検出
値が得られる。一対のセンサの各検出軸のうち少
なくとも２組は互いに平行ではないので、５つの
検出値は独立した値となる。ここで、求めるべき
加速度の向きをθaおよびφaの２つの角度で表し、
その大きさをαとし、求めるべき傾斜度をθtおよ
びφtの２つの角度で表すことにすれば、この５
つの未知数は、５つの独立した検出値に基づいて
演算により求めることができる。 〔実施例〕 以下本発明を図示する実施例に基づいて説明す
る。 装置の構成 第１図は本発明の一実施例に係る加速度・傾斜
度検出装置の基本構成図である。この装置は、２
つの三次元加速度センサ１および２と、基体３
と、演算装置（図示されていない）とから構成さ
れている。基体３は基準面Ａと基準面Ｂとの２つ
の基準面を有し、これら基準面Ａ，Ｂにそれぞれ
三次元加速度センサ１，２が取付けられている。
基準面Ａ，Ｂのなす各βは直角以外の角度に設定
されている。三次元加速度センサ１，２の構造に
ついては後に詳述するが、いずれも互いに直交す
る三方向を検出軸とし、この各検出軸方向の加速
度を独立して検出することができる。センサ１の
３つの検出軸をx1，y1，z1とすれば、x1，y1が
基準面Ａ内に含まれ、z1がこの基準面Ａに対して
垂直方向を向くような位置にセンサ１は取付けら
れる。また、センサ２の３つの検出軸をx2，y2，
z2とすれば、x2，y2が基準面Ｂ内に含まれ、z2
がこの基準面Ｂに対して垂直方向を向くような位
置にセンサ２は取付けられる。しかもy1，y2が
互いに平行でない方向を向くように配置され、結
局、６つの検出軸がいずれも平行にはならないよ
うな向きに両センサが取付けられることになる。
装置の動作原理 以上のような構成により、センサ１からは、
x1，y1，z1方向の加速度Ax1，Ay1，Az1が検出
され、センサ２からは、x2，y2，z2方向の加速
度Ax2，Ay2，Az2が検出される。前述のよう
に、６つの検出軸の向きはいずれも異なるため、
この６つの検出値は独立したものとなる。いま、
第１図に示すように、基体３の一部に原点Ｏを定
義し、基準面Ａ内にベクトルOPを定義する。す
ると、第２図に示すように、三次元空間での基体
３の傾斜度は、ベクトルOPの傾きで表される。
すなわち、水平方向の角度θtと垂直方向の角度φt
とによつて定義できる。また、同様にして、この
基体３に作用する加速度の方向も水平方向の角度
θaと垂直方向の角度φaとによつて定義できる。
いま、この加速度の大きさをαとすれば、結局、
基体３の加速度および傾斜度は、θa，φa，θt，
φt，αの５つの変数で表されることになる。こ
れらの変数は、それぞれセンサ１，２の検出値
Ax1，Ay1，Az1，Ax2，Ay2，Az2の関数で表
される。すなわち、 θa＝f1（Ax1，Ay1，Az1，Ax2，Ay2，Az2） φa＝f2（Ax1，Ay1，Az1，Ax2，Ay2，Az2） θt＝f3（Ax1，Ay1，Az1，Ax2，Ay2，Az2） φt＝f4（Ax1，Ay1，Az1，Ax2，Ay2，Az2） α ＝f5（Ax1，Ay1，Az1，Ax2，Ay2，
Az2） なる形で表されることになる。したがつて、両
センサの検出値に基づいて５つの変数、すなわち
基体３の加速度および傾斜度を求めることができ
る。 なお、上述の実施例では、６つの検出軸がいず
れも平行にはならないように、２つのセンサ１，
２を配置し、６つの異なる検出値を得る例を説明
したが、上式の５つの変数を求めるためには５つ
の独立した検出値があれば良いので、６つの検出
値のうちの少なくとも５つが異なるものになれば
足りる。したがつて、２つのセンサの各検出軸の
うち少なくとも２組が互いに平行にならない方向
に向いていれば良いことになる。 三次元加速度センサの構成例 以下、本発明に係る加速度・傾斜度検出装置に
適した三次元加速度センサの構成例を示す。この
センサは半導体基板内にピエゾ抵抗効果を有する
抵抗素子を形成したものである。第３図ａにこの
加速度センサの側断面図、同図ｂに上面図を示
す。ここで、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を図の方向に定義
するものとする。第３図ａは同図ｂに示す装置を
Ｘ軸に沿つて切断した断面図に相当する。 このセンサにおいて、シリコンの単結晶基板１
０上には、合計12個の抵抗素子Ｒが形成されてい
る。抵抗素子Rx１〜Rx４はＸ軸上に配されＸ軸
方向の加速度検出に用いられ、抵抗素子Ry１〜
Ry４はＹ軸上に配されＹ軸方向の加速度検出に
用いられ、抵抗素子Rz１〜Rz４はＸ軸に平行で
この近傍にある軸上に配されＺ軸方向の加速度検
出に用いられる。各抵抗素子Ｒの具体的な構造お
よびその製造方法については後に詳述するが、こ
れら抵抗素子Ｒは機械的変形によつてその電気抵
抗が変化するピエゾ抵抗効果を有する素子であ
る。 この単結晶基板１０は起歪体２０に接着されて
いる。また、起歪体２０は円盤状のフランジ部２
１と、可撓性をもたせるために肉厚を薄くした可
撓性２２と、中心に突出した突出部２３とから構
成される。この起歪体２０の材質としてはコバー
ル（鉄、コバルト、ニツケルの合金）が用いられ
ている。コバールはシリコン単結晶基板１０とほ
ぼ同程度の熱膨脹率を有するため、単結晶基板１
０に接着されていても、温度変化によつて生じる
熱応力が極めて小さいという利点を有する。起歪
体２０の材質、形状は、上述のものに限定される
わけではなく、ここに示す実施例は最適な一態様
にすぎない。なお、この起歪体２０は取付孔２４
によつて基体３に固着される。 起歪体２０の突出部２３の先端には重錘体３０
が取付けられている。本センサでは、この重錘体
３０は金属塊で構成されている。この重錘体３０
の機能は、加わる加速度に応じた応力歪みを起歪
体２０に生じさせることにあり、この機能を果た
すものであればどのような材質のものをどのよう
な位置に設けてもかまわない。 起歪体２０の上部には、単結晶基板１０を保護
するための保護カバー４０が取付けられている
（第３図ｂでは図示省略）。保護カバー４０は、保
護の機能を有するものであればどのようなもので
もよい。 各抵抗素子には第４図に示すような配線がなさ
れる。すなわち、抵抗素子Rx１〜Rx４は第４図
ａに示すようなブリツジ回路に組まれ、抵抗素子
Ry１〜Ry４は第４図ｂに示すようなブリツジ回
路に組まれ、抵抗素子Rz１〜Rz４は第４図ｃに
示すようなブリツジ回路に組まれる。各ブリツジ
回路には電源５０から所定の電圧または電流が供
給され、各ブリツジ電圧は電圧計５１〜５３によ
つて測定される。各抵抗素子Ｒに対してこのよう
な配線を行うため、第３図に示すように単結晶基
板１０上で各抵抗素子Ｒに電気的に接続されてい
るボンデイングパツド１１と外部配線用の電極１
３とが、ボンデイングワイヤ１２で接続される。
電極１３は配線孔２５を通して外部に導出されて
いる。 センサの基本原理 第３図ａにおいて、センサ全体を運動させる
と、この運動によつて重錘体３０に加速度がかか
り、起歪体２０にこの加速度に応じた応力歪みが
生じることになる。前述のように可撓部２２は肉
厚が薄く可撓性を有するため、起歪体の中心部
（以下作用部という）と周辺部（以下支持部とい
う）との間に変位が生じ、各抵抗素子Ｒが機械的
に変形することになる。この変形によつて各抵抗
素子Ｒの電気抵抗が変化し、結局、センサ全体の
運動加速度は第４図に示す各ブリツジ電圧の変化
として検出される。 第５図に、応力歪みと抵抗素子Ｒの電気抵抗の
変化との関係を示す。ここでは、説明の便宜上、
単結晶基板１０と起歪体２０の突出部２３のみを
図示し、図の左から右に４つの抵抗素子Ｒ１〜Ｒ
４が形成されている場合を考える。まず、第５図
ａに示すように、センサ全体が静止しているとき
は、単結晶基板１０に応力歪みは加わらず、すべ
ての抵抗素子の抵抗変化は０である。ところが下
方向の加速度が加わると、重錘体の運動によつて
作用部に第５図ｂに示すような下向きの力Ｆ１が
かかり、単結晶基板１０が図のように機械的に変
形することになる。いま、抵抗素子の導電型をＰ
型とすれば、この変形によつて、抵抗素子Ｒ１お
よびＲ４は伸びて抵抗が増え（＋記号で示すこと
にする）、抵抗素子Ｒ２およびＲ３は縮んで抵抗
が減る（−記号を示すことにする）ことになる。
また、右方向の加速度が加わると、重錘体の運動
によつて作用部に第５図ｃに示すような右向きの
力Ｆ２がかかり、単結晶基板１０が図のように機
械的に変形することになる。この変形によつて、
抵抗素子Ｒ１およびＲ３は伸びて抵抗が増え、抵
抗素子Ｒ２およびＲ４は縮んで抵抗が減ることに
なる。なお、各抵抗素子Ｒは図の横方向を長手方
向とする抵抗素子であるため、図の紙面に垂直な
方向に力を加えた場合は、各抵抗素子ともに抵抗
値の変化の無視できる。このように、本装置では
加わる力の方向によつて抵抗素子の抵抗変化特性
が異なることを利用して、各方向の加速度を独立
して検出するのである。 センサの動作 以下、第６図〜第８図を参照して本センサの動
作を説明する。第６図はＸ軸方向に加速度が生じ
た場合、第７図はＹ軸方向に加速度が生じた場
合、第８図はＺ軸方向に加速度が生じた場合、の
各抵抗素子に加わる応力（伸びる方向を＋、縮む
方向を−、変化なしを０で示す）をそれぞれ示し
たものである。各図では、第３図に示すセンサを
Ｘ軸に沿つて切つた断面をａ、Ｙ軸に沿つて切つ
た断面をｂ、そしてＸ軸に平行で素子Rz１〜Rz
４に沿つて切つた断面をｃとして示すことにす
る。 まず、Ｘ軸方向に加速度が生じた場合、第６図
ａ，ｂ，ｃの矢印Fx（第６図ｂでは紙面に垂直な
方向）で示す方向に力が加わり、それぞれ図示す
る極性の応力が発生する。この応力の極性は第５
図の説明から容易に理解できよう。各抵抗素子Ｒ
には、この応力に対応した抵抗変化が生じる。た
とえば、抵抗素子Rx１の抵抗は減り（−）、抵抗
素子Rx２の抵抗は増え（＋）、抵抗素子Ry１の
抵抗は変化しない（０）。また、Ｙ軸方向および
Ｚ軸方向に加速度が生じた場合は、それぞれ第７
図および第８図に示すような矢印FyおよびFzで
示す方向に力が加わり、図示するような応力が発
生する。 結局、加わる力と各抵抗素子の変化の関係を表
にまとめると、表１のようになる。
座標系における加速度・傾斜度を検出することが
できる加速度・傾斜度検出装置に関する。 〔従来の技術〕 ロボツトをはじめとする運動を伴う種々の産業
機器では、三次元座標系における加速度・傾斜度
の検出が必要になる。すなわち、XYZの３軸で
表現される三次元座標系において、加速度の向き
と大きさおよび機器の傾斜度を検出する必要が生
じる。従来、一般に用いられているこの種の検出
装置は、加速度は起因する応力歪みをストレーン
ゲージなどで電気量に変換することによつて加速
度の検出を行つている。通常は片持梁の構造体に
ストレーンゲージを貼り付け、この片持梁の応力
歪みによつて特定の方向の加速度検出を行う。ま
た、傾斜度については水準器を用いるのが最も基
本的な測定方法となるが、最近ではジヤイロを用
いて傾斜度の測定が行われている。 〔発明が解決しようとする問題点〕 しかしながら、前述した従来の加速度・傾斜度
検出装置には、構造が複雑で量産性に適さないと
いう問題点がある。たとえば、水準器を用いて傾
斜度を測定しようとしても、水準器は傾斜だけで
なく加速度にも応答してしまうため、これを補償
する何らかの手段が必要になる。また、ジヤイロ
を用いると装置自体がかなり複雑なものとなつて
しまう。結局、加速度と傾斜度との両方を独立し
て検出でき、かつ、構造が単純な装置が従来なか
つたのである。 そこで、本発明は構造が単純で量産に適し、し
かも加速度と傾斜度との両方を独立して検出でき
る加速度・傾斜度検出装置を提供することを目的
とする。 〔問題点を解決するための手段〕 本発明は、三方向を検出軸とし、この各検出軸
方向の加速度を独立して検出しうる第１の加速度
センサと、 少なくとも二方向を検出軸とし、この各検出軸
方向の加速度を独立して検出しうる第２の加速度
センサと、 この一対のセンサの各検出軸のうち少なくとも
２組が互いに平行にはならない方向に向くよう
に、一対のセンサを固着支持する基体と、 一対のセンサのそれぞれの検出軸について得ら
れる少なくとも５つの検出値に基づいて、基体に
作用する加速度の方向と大きさ、基体の傾斜度を
求める演算装置と、 によつて加速度・傾斜度検出装置を構成したも
のである。 〔作用〕 本発明に係る装置によれば、両方のセンサから
２つまたは３つずつの検出値、合計で５つの検出
値が得られる。一対のセンサの各検出軸のうち少
なくとも２組は互いに平行ではないので、５つの
検出値は独立した値となる。ここで、求めるべき
加速度の向きをθaおよびφaの２つの角度で表し、
その大きさをαとし、求めるべき傾斜度をθtおよ
びφtの２つの角度で表すことにすれば、この５
つの未知数は、５つの独立した検出値に基づいて
演算により求めることができる。 〔実施例〕 以下本発明を図示する実施例に基づいて説明す
る。 装置の構成 第１図は本発明の一実施例に係る加速度・傾斜
度検出装置の基本構成図である。この装置は、２
つの三次元加速度センサ１および２と、基体３
と、演算装置（図示されていない）とから構成さ
れている。基体３は基準面Ａと基準面Ｂとの２つ
の基準面を有し、これら基準面Ａ，Ｂにそれぞれ
三次元加速度センサ１，２が取付けられている。
基準面Ａ，Ｂのなす各βは直角以外の角度に設定
されている。三次元加速度センサ１，２の構造に
ついては後に詳述するが、いずれも互いに直交す
る三方向を検出軸とし、この各検出軸方向の加速
度を独立して検出することができる。センサ１の
３つの検出軸をx1，y1，z1とすれば、x1，y1が
基準面Ａ内に含まれ、z1がこの基準面Ａに対して
垂直方向を向くような位置にセンサ１は取付けら
れる。また、センサ２の３つの検出軸をx2，y2，
z2とすれば、x2，y2が基準面Ｂ内に含まれ、z2
がこの基準面Ｂに対して垂直方向を向くような位
置にセンサ２は取付けられる。しかもy1，y2が
互いに平行でない方向を向くように配置され、結
局、６つの検出軸がいずれも平行にはならないよ
うな向きに両センサが取付けられることになる。
装置の動作原理 以上のような構成により、センサ１からは、
x1，y1，z1方向の加速度Ax1，Ay1，Az1が検出
され、センサ２からは、x2，y2，z2方向の加速
度Ax2，Ay2，Az2が検出される。前述のよう
に、６つの検出軸の向きはいずれも異なるため、
この６つの検出値は独立したものとなる。いま、
第１図に示すように、基体３の一部に原点Ｏを定
義し、基準面Ａ内にベクトルOPを定義する。す
ると、第２図に示すように、三次元空間での基体
３の傾斜度は、ベクトルOPの傾きで表される。
すなわち、水平方向の角度θtと垂直方向の角度φt
とによつて定義できる。また、同様にして、この
基体３に作用する加速度の方向も水平方向の角度
θaと垂直方向の角度φaとによつて定義できる。
いま、この加速度の大きさをαとすれば、結局、
基体３の加速度および傾斜度は、θa，φa，θt，
φt，αの５つの変数で表されることになる。こ
れらの変数は、それぞれセンサ１，２の検出値
Ax1，Ay1，Az1，Ax2，Ay2，Az2の関数で表
される。すなわち、 θa＝f1（Ax1，Ay1，Az1，Ax2，Ay2，Az2） φa＝f2（Ax1，Ay1，Az1，Ax2，Ay2，Az2） θt＝f3（Ax1，Ay1，Az1，Ax2，Ay2，Az2） φt＝f4（Ax1，Ay1，Az1，Ax2，Ay2，Az2） α ＝f5（Ax1，Ay1，Az1，Ax2，Ay2，
Az2） なる形で表されることになる。したがつて、両
センサの検出値に基づいて５つの変数、すなわち
基体３の加速度および傾斜度を求めることができ
る。 なお、上述の実施例では、６つの検出軸がいず
れも平行にはならないように、２つのセンサ１，
２を配置し、６つの異なる検出値を得る例を説明
したが、上式の５つの変数を求めるためには５つ
の独立した検出値があれば良いので、６つの検出
値のうちの少なくとも５つが異なるものになれば
足りる。したがつて、２つのセンサの各検出軸の
うち少なくとも２組が互いに平行にならない方向
に向いていれば良いことになる。 三次元加速度センサの構成例 以下、本発明に係る加速度・傾斜度検出装置に
適した三次元加速度センサの構成例を示す。この
センサは半導体基板内にピエゾ抵抗効果を有する
抵抗素子を形成したものである。第３図ａにこの
加速度センサの側断面図、同図ｂに上面図を示
す。ここで、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を図の方向に定義
するものとする。第３図ａは同図ｂに示す装置を
Ｘ軸に沿つて切断した断面図に相当する。 このセンサにおいて、シリコンの単結晶基板１
０上には、合計12個の抵抗素子Ｒが形成されてい
る。抵抗素子Rx１〜Rx４はＸ軸上に配されＸ軸
方向の加速度検出に用いられ、抵抗素子Ry１〜
Ry４はＹ軸上に配されＹ軸方向の加速度検出に
用いられ、抵抗素子Rz１〜Rz４はＸ軸に平行で
この近傍にある軸上に配されＺ軸方向の加速度検
出に用いられる。各抵抗素子Ｒの具体的な構造お
よびその製造方法については後に詳述するが、こ
れら抵抗素子Ｒは機械的変形によつてその電気抵
抗が変化するピエゾ抵抗効果を有する素子であ
る。 この単結晶基板１０は起歪体２０に接着されて
いる。また、起歪体２０は円盤状のフランジ部２
１と、可撓性をもたせるために肉厚を薄くした可
撓性２２と、中心に突出した突出部２３とから構
成される。この起歪体２０の材質としてはコバー
ル（鉄、コバルト、ニツケルの合金）が用いられ
ている。コバールはシリコン単結晶基板１０とほ
ぼ同程度の熱膨脹率を有するため、単結晶基板１
０に接着されていても、温度変化によつて生じる
熱応力が極めて小さいという利点を有する。起歪
体２０の材質、形状は、上述のものに限定される
わけではなく、ここに示す実施例は最適な一態様
にすぎない。なお、この起歪体２０は取付孔２４
によつて基体３に固着される。 起歪体２０の突出部２３の先端には重錘体３０
が取付けられている。本センサでは、この重錘体
３０は金属塊で構成されている。この重錘体３０
の機能は、加わる加速度に応じた応力歪みを起歪
体２０に生じさせることにあり、この機能を果た
すものであればどのような材質のものをどのよう
な位置に設けてもかまわない。 起歪体２０の上部には、単結晶基板１０を保護
するための保護カバー４０が取付けられている
（第３図ｂでは図示省略）。保護カバー４０は、保
護の機能を有するものであればどのようなもので
もよい。 各抵抗素子には第４図に示すような配線がなさ
れる。すなわち、抵抗素子Rx１〜Rx４は第４図
ａに示すようなブリツジ回路に組まれ、抵抗素子
Ry１〜Ry４は第４図ｂに示すようなブリツジ回
路に組まれ、抵抗素子Rz１〜Rz４は第４図ｃに
示すようなブリツジ回路に組まれる。各ブリツジ
回路には電源５０から所定の電圧または電流が供
給され、各ブリツジ電圧は電圧計５１〜５３によ
つて測定される。各抵抗素子Ｒに対してこのよう
な配線を行うため、第３図に示すように単結晶基
板１０上で各抵抗素子Ｒに電気的に接続されてい
るボンデイングパツド１１と外部配線用の電極１
３とが、ボンデイングワイヤ１２で接続される。
電極１３は配線孔２５を通して外部に導出されて
いる。 センサの基本原理 第３図ａにおいて、センサ全体を運動させる
と、この運動によつて重錘体３０に加速度がかか
り、起歪体２０にこの加速度に応じた応力歪みが
生じることになる。前述のように可撓部２２は肉
厚が薄く可撓性を有するため、起歪体の中心部
（以下作用部という）と周辺部（以下支持部とい
う）との間に変位が生じ、各抵抗素子Ｒが機械的
に変形することになる。この変形によつて各抵抗
素子Ｒの電気抵抗が変化し、結局、センサ全体の
運動加速度は第４図に示す各ブリツジ電圧の変化
として検出される。 第５図に、応力歪みと抵抗素子Ｒの電気抵抗の
変化との関係を示す。ここでは、説明の便宜上、
単結晶基板１０と起歪体２０の突出部２３のみを
図示し、図の左から右に４つの抵抗素子Ｒ１〜Ｒ
４が形成されている場合を考える。まず、第５図
ａに示すように、センサ全体が静止しているとき
は、単結晶基板１０に応力歪みは加わらず、すべ
ての抵抗素子の抵抗変化は０である。ところが下
方向の加速度が加わると、重錘体の運動によつて
作用部に第５図ｂに示すような下向きの力Ｆ１が
かかり、単結晶基板１０が図のように機械的に変
形することになる。いま、抵抗素子の導電型をＰ
型とすれば、この変形によつて、抵抗素子Ｒ１お
よびＲ４は伸びて抵抗が増え（＋記号で示すこと
にする）、抵抗素子Ｒ２およびＲ３は縮んで抵抗
が減る（−記号を示すことにする）ことになる。
また、右方向の加速度が加わると、重錘体の運動
によつて作用部に第５図ｃに示すような右向きの
力Ｆ２がかかり、単結晶基板１０が図のように機
械的に変形することになる。この変形によつて、
抵抗素子Ｒ１およびＲ３は伸びて抵抗が増え、抵
抗素子Ｒ２およびＲ４は縮んで抵抗が減ることに
なる。なお、各抵抗素子Ｒは図の横方向を長手方
向とする抵抗素子であるため、図の紙面に垂直な
方向に力を加えた場合は、各抵抗素子ともに抵抗
値の変化の無視できる。このように、本装置では
加わる力の方向によつて抵抗素子の抵抗変化特性
が異なることを利用して、各方向の加速度を独立
して検出するのである。 センサの動作 以下、第６図〜第８図を参照して本センサの動
作を説明する。第６図はＸ軸方向に加速度が生じ
た場合、第７図はＹ軸方向に加速度が生じた場
合、第８図はＺ軸方向に加速度が生じた場合、の
各抵抗素子に加わる応力（伸びる方向を＋、縮む
方向を−、変化なしを０で示す）をそれぞれ示し
たものである。各図では、第３図に示すセンサを
Ｘ軸に沿つて切つた断面をａ、Ｙ軸に沿つて切つ
た断面をｂ、そしてＸ軸に平行で素子Rz１〜Rz
４に沿つて切つた断面をｃとして示すことにす
る。 まず、Ｘ軸方向に加速度が生じた場合、第６図
ａ，ｂ，ｃの矢印Fx（第６図ｂでは紙面に垂直な
方向）で示す方向に力が加わり、それぞれ図示す
る極性の応力が発生する。この応力の極性は第５
図の説明から容易に理解できよう。各抵抗素子Ｒ
には、この応力に対応した抵抗変化が生じる。た
とえば、抵抗素子Rx１の抵抗は減り（−）、抵抗
素子Rx２の抵抗は増え（＋）、抵抗素子Ry１の
抵抗は変化しない（０）。また、Ｙ軸方向および
Ｚ軸方向に加速度が生じた場合は、それぞれ第７
図および第８図に示すような矢印FyおよびFzで
示す方向に力が加わり、図示するような応力が発
生する。 結局、加わる力と各抵抗素子の変化の関係を表
にまとめると、表１のようになる。
【表】
【表】
ここで、各抵抗素子Ｒが第４図に示すようなブ
リツジを構成していることを考慮に入れると、加
わる力と各電圧計５１〜５３の変化の有無は表２
のような関係になる。
リツジを構成していることを考慮に入れると、加
わる力と各電圧計５１〜５３の変化の有無は表２
のような関係になる。
以上のとおり本発明によれば、三次元加速度セ
ンサを２つ用意し、このセンサの５つの出力から
加速度および傾斜度を演算するようにしたため、
構造が単純で量産に適し、しかも加速度と傾斜度
との両方を独立して検出できる加速度・傾斜度検
出装置が実現できる。
ンサを２つ用意し、このセンサの５つの出力から
加速度および傾斜度を演算するようにしたため、
構造が単純で量産に適し、しかも加速度と傾斜度
との両方を独立して検出できる加速度・傾斜度検
出装置が実現できる。
第１図は本発明に係る加速度・傾斜度検出装置
の基本構成図、第２図は加速度・傾斜度の表現方
法を説明する図、第３図ａおよびｂは本発明に係
る加速度・傾斜度検出装置に用いるのに適した三
次元加速度センサの断面図および平面図、第４図
は第３図に示すセンサの抵抗素子のブリツジ構成
を示す回路図、第５図は第３図に示すセンサにお
ける応力歪みと抵抗素子の抵抗変化との関係を示
す原理図、第６図、第７図、第８図は、第３図に
示す装置において、それぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方
向に力がかかつたときに発生する応力を示す図、
第９図は第３図に示すセンサに用いる抵抗素子を
単結晶基板上に形成するプロセスの工程図、第１
０図は本発明に係わる加速度・傾斜度検出装置に
用いるのに適した三次元加速度センサの別な実施
例の断面図である。 １，２……三次元加速度センサ、３……基体、
１０……シリコン単結晶基板、１１……ボンデイ
ングパツド、１２……ボンデイングワイヤ、１３
……電極、２０……起歪体、２１……フランジ
部、２２……可撓部、２３……突出部、２４……
取付孔、２５……配線孔、３０……重錘体、４０
……保護カバー、５０……電源、５１〜５３……
電圧計、１０１……Ｎ型シリコン基板、１０２…
…酸化シリコン層、１０３……開口部、１０４…
…Ｐ型拡散領域、１０５……酸化シリコン層、１
０６……窒化シリコン層、１０７……アルミニウ
ム配線層、Ｒ……抵抗素子、２００……シリコン
チツプ、２０１……基板部、２０２……支持部、
２０３……作用部、２０４……垂錘部、２０５…
…ボンデイングワイヤ、２０６……リード、２０
７……モールド樹脂、２０８……蓋板、２０９…
…通気孔。
の基本構成図、第２図は加速度・傾斜度の表現方
法を説明する図、第３図ａおよびｂは本発明に係
る加速度・傾斜度検出装置に用いるのに適した三
次元加速度センサの断面図および平面図、第４図
は第３図に示すセンサの抵抗素子のブリツジ構成
を示す回路図、第５図は第３図に示すセンサにお
ける応力歪みと抵抗素子の抵抗変化との関係を示
す原理図、第６図、第７図、第８図は、第３図に
示す装置において、それぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方
向に力がかかつたときに発生する応力を示す図、
第９図は第３図に示すセンサに用いる抵抗素子を
単結晶基板上に形成するプロセスの工程図、第１
０図は本発明に係わる加速度・傾斜度検出装置に
用いるのに適した三次元加速度センサの別な実施
例の断面図である。 １，２……三次元加速度センサ、３……基体、
１０……シリコン単結晶基板、１１……ボンデイ
ングパツド、１２……ボンデイングワイヤ、１３
……電極、２０……起歪体、２１……フランジ
部、２２……可撓部、２３……突出部、２４……
取付孔、２５……配線孔、３０……重錘体、４０
……保護カバー、５０……電源、５１〜５３……
電圧計、１０１……Ｎ型シリコン基板、１０２…
…酸化シリコン層、１０３……開口部、１０４…
…Ｐ型拡散領域、１０５……酸化シリコン層、１
０６……窒化シリコン層、１０７……アルミニウ
ム配線層、Ｒ……抵抗素子、２００……シリコン
チツプ、２０１……基板部、２０２……支持部、
２０３……作用部、２０４……垂錘部、２０５…
…ボンデイングワイヤ、２０６……リード、２０
７……モールド樹脂、２０８……蓋板、２０９…
…通気孔。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ XYZの３軸で表現される三次元座標系にお
ける加速度を、前記各軸ごとに独立して検出する
ことができる一対の加速度センサを、前記一対セ
ンサの３軸が互いに少なくとも２軸は平行になら
ない方向を向くように、前記一対のセンサを基体
に固着支持し、前記一対のセンサのそれぞれから
検出される少なくとも５つの検出値に基づいて、
前記基体に作用する加速度の方向と大きさ、およ
び／または前記基体の傾斜度を求める演算装置
と、を備えることを特徴とする加速度・傾斜度検
出装置。 ２ 上記基体は、互いに直交しない２つの基準面
を有し、この各基準面のそれぞれに上記の加速度
センサを取り付けたことを特徴とする特許請求の
範囲第１項記載の加速度・傾斜度検出装置。 ３ 上記の加速度センサは、機械的変形によつて
電気抵抗が変化する抵抗素子が少なくとも一面に
形成された半導体基板と、支持部と作用部とを有
し、前記作用部の前記支持部に対する変位に基づ
いて前記抵抗素子に機械的変形を生じさせるよう
に前記半導体基板に連接された起歪体と、前記起
歪体の前記作用部に連接され、その加速度に応じ
た変位を前記作用部に生じさせる垂錘体と、によ
つて構成されていることを特徴とする特許請求の
範囲第１項または第２項記載の加速度・傾斜度検
出装置。 ４ 上記の加速度センサは、起歪体の中心部また
は周辺部のどちらか一方を上記支持部とし、他方
を上記作用部としていることを特徴とする特許請
求の範囲第３項記載の加速度・傾斜度検出装置。 ５ 上記の加速度センサの、上記半導体基板はシ
リコン基板からなり、抵抗素子が半導体プレーナ
プロセスによつて形成されていることを特徴とす
る特許請求の範囲第３項または第４項記載の加速
度・傾斜度検出装置。 ６ 上記の加速度センサは、半導体基板、起歪
体、および垂錘体がシリコンの同一チツプ内に一
体形成されていることを特徴とする特許請求の範
囲第５項記載の加速度・傾斜度検出装置。 ７ 上記の加速度センサは、各軸方向の加速度を
検出するためにそれぞれ少なくとも４つの抵抗素
子が設けられ、前記４つの抵抗素子によつてそれ
ぞれブリツジが形成されていることを特徴とする
特許請求の範囲第３項乃至第６項のいずれかに記
載の加速度・傾斜度検出装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62101270A JPS63266359A (ja) | 1987-04-24 | 1987-04-24 | 加速度・傾斜度検出装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62101270A JPS63266359A (ja) | 1987-04-24 | 1987-04-24 | 加速度・傾斜度検出装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63266359A JPS63266359A (ja) | 1988-11-02 |
| JPH0584870B2 true JPH0584870B2 (ja) | 1993-12-03 |
Family
ID=14296193
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62101270A Granted JPS63266359A (ja) | 1987-04-24 | 1987-04-24 | 加速度・傾斜度検出装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS63266359A (ja) |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6864677B1 (en) | 1993-12-15 | 2005-03-08 | Kazuhiro Okada | Method of testing a sensor |
| WO1991010118A1 (en) * | 1989-12-28 | 1991-07-11 | Wacoh Corporation | Apparatus for detecting physical quantity that acts as external force and method of testing and producing this apparatus |
| JP2004264053A (ja) | 2003-02-10 | 2004-09-24 | Tokyo Electron Ltd | 加速度センサ及び傾斜検出方法 |
| JP4261468B2 (ja) * | 2004-11-18 | 2009-04-30 | Ｔｄｋ株式会社 | 加速度センサ |
| JP2006236265A (ja) * | 2005-02-28 | 2006-09-07 | Toshiba Corp | 電子機器および省電力制御方法 |
| JP2009186244A (ja) * | 2008-02-04 | 2009-08-20 | Kochi Univ Of Technology | 傾斜角度推定システム、相対角度推定システム及び角速度推定システム |
| JP5424226B2 (ja) * | 2012-07-19 | 2014-02-26 | 公立大学法人高知工科大学 | 傾斜角度推定システム |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6015883A (ja) * | 1983-07-06 | 1985-01-26 | Ricoh Co Ltd | Ｖｔｒシステム |
-
1987
- 1987-04-24 JP JP62101270A patent/JPS63266359A/ja active Granted
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6015883A (ja) * | 1983-07-06 | 1985-01-26 | Ricoh Co Ltd | Ｖｔｒシステム |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63266359A (ja) | 1988-11-02 |
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