JPS63266359A

JPS63266359A - 加速度・傾斜度検出装置

Info

Publication number: JPS63266359A
Application number: JP62101270A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Okada; 和廣岡田
Original assignee: NEKUSHII KENKYUSHO KK
Current assignee: NEKUSHII KENKYUSHO KK
Priority date: 1987-04-24
Filing date: 1987-04-24
Publication date: 1988-11-02
Also published as: JPH0584870B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔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〕

ロボッ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、加速度に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って加速
度の検出を行っている。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って
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、
最近ではジャ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、ジャイロを用いると装置自体がかなり複雑なものと
なってしまう。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
ったのである。

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つる第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し１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、によって加速度・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ψａ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ψｔ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ｘｌ、
ｙｌ、ｚｌとすれば、ｘｉ、ｙｌが基準面Ａ内に含まれ
、ｚｌ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ｙ
ｌ　、　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、ｘｉ、ｙＬ
ｚ１方向の加速度Ａｘｌ、　Ａｙｌ、　Ａｚｌが検出さ
れ、センサ２からは、ｘＬｙ２．ｚ２方向の加速度Ａｘ
２．　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ψｔと
によって定義できる。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ψａとによって定義できる。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。

ψａ、θｔ、ψｔ、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Ａ
ＸＩ、　Ａｙｌ、　Ａｚｌ、　Ａｘ２．　Ａｙ２．　Ａ
ｚ２の関数で表される。すなわち、 θａ−ｆｌ　　（Ａｘｌ、　Ａｙｌ、　Ａｚｌ、　Ａｘ
２．　Ａｙ２゜Ａ　ｚ２） ψａ−ｆ２　　（Ａｘｌ、　Ａ＞’１．　Ａｚｌ、　Ａ
ｘ２．　Ａｙ２゜Ａｚ２） θｔ−ｆ３　　（Ａｘｌ、　Ａｙｌ、　Ａｚｌ、　Ａｘ
２．　Ａｙ２゜Ａｚ２） ψｔ−ｆ４　　（ＡＸＩ、　Ａｙｅ、　Ａｚｌ、　Ａｘ
２．　Ａｙ２゜Ａ　ｚ２）ａ　　−ｆ５　　（Ａｘｌ、　Ａｙｌ、　Ａｚｌ、　Ａ
ｘ２．　Ａｙ２゜Ａ　ｚ２）なる形で表されることになる。したがって、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。したがって、２つのセンサの各検
出軸のうち少なくとも２組が互いに平行にはならない方
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軸に沿っ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１０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
Ｒｘｌ〜Ｒｘ４はＸ軸上に配されＸ軸方向の加速度検出
に用いられ、抵抗索子Ｒｙｌ〜Ｒ，ｙ４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Ｒｚｌ−
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は機械的変形によってその電気抵抗が
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２１と、可撓性を
もたせるために肉厚を薄くした可撓部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、ニッケルの合金
）が用いられている。コバールはシリコン単結晶基板１
０とほぼ同程度の熱膨張率を有するため、単結晶基板１
０に接着されていても、温度変化によって生じる熱応力
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によって基体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に生じさせることであ
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、抵抗索子Ｒｘ１−Ｒｘ４は第４図（ａ）に示す
ようなブリッジ回路に組まれ、抵抗素子Ｒｙ１〜Ｒｙ４
は第４図（ｂ）に示すようなブリッジ回路に組まれ、抵
抗素子Ｒｚｌ＝Ｒｚ４は第４図（ｅ）に示すようなブリ
ッジ回路に組まれる。各ブリッジ回路には電源５０から
所定の電圧または電流が供給され、各ブリッジ電圧は電
圧計５１〜５３によって測定される。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
るポンディングパッド１１と外部配線用の電極１３とが
、ボンディングワイヤ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
の運動によって重錘体３０に加速度がかかり、起歪体２
０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。この変形によって各抵抗
索子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図に示す各ブリッ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つの抵抗索子Ｒ１〜Ｒ４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Ｏである。ところ
が下方向の加速度が加わると、重錘体の運動によって作
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
変形によって、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（−記号で示すことにする）こ
とになる。また、右方向の加速度が加わると、重錘体の
運動によって作用部に第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。この変形によって、抵抗素子Ｒ
１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は無視できる。このように、本装置
では加わる力の方向によっ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
る方向を士、縮む方向を一１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軸に沿って切った断面を（ａ）　、Ｙ軸に沿って
切った断面を（ｂ）、そしてＸ軸に平行で素子ＲｚＬ〜
Ｒｚ４に沿って切った断面を（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Ｒｘｌの抵抗は減り（−）、抵抗素子Ｒｘ２の抵
抗は増え（＋）、抵抗素子Ｒｙｌ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
ｐｙ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。

く表　１〉ここで、各抵抗索子Ｒが第４図に示すようなブリッジを
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。

く表　２〉抵抗素子Ｒｚｌ　〜Ｒｚ４は抵抗素子Ｒｘ１−Ｒｘ４と
ほぼ同じ応力変化を受けるが、第４図に示すようにブリ
ッジ構成が両者具なるため、電圧計５１と５３とは異な
った応答をする点に注意されたい。結局、電圧計５１．
５２．５３は、それぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の力に応
答することになる。なお、表２では変化の有無だけを示
したが、加わる力の方向によって変化の極性が支配され
、また加わる力の大きさによって変化量が支配されるこ
とになる。前述のように、これらの力は重錘体３０の加
速度に応じて生じる力であるため、結局、Ｘ軸、Ｙ軸、
Ｚ軸について独立して加速度の向きと大きさを測定する
ことができる。

ピエゾ抵抗効果を有する抵抗素子の製造以下、上述のセ
ンサに用いる抵抗素子の製造方法の一例を簡単に述べる
。この抵抗素子はピエゾ抵抗効果を有し、半導体基板上
に半導体ブレーナプロセスによって形成されるものであ
る。まず、第９図（ａ）に示すように、Ｎ型のシリコン
基板１０１を熱酸化し、表面に酸化シリコン層１０２を
形成する。続いて同図（ｂ）に示すように、この酸化シ
リコン層１０２を写真蝕刻法によってエツチングして、
開口部１０３を形成する。続いて同図（ｅ）に示すよう
に、この開口部１０３からほう素を熱拡散し、Ｐ型拡散
領域１０４を形成する。

なお、この熱拡散の行程で、開口部１０３には酸化シリ
コン層１０５が形成されることになる。次に同図（ｄ）
に示すように、ＣＶＤ法によって窒化シリコンを堆積さ
せ、窒化シリコン層１０６を保護層として形成する。そ
して同図（ｅ）に示すように、この窒化シリコン層１０
６および酸化シリコン層１０５に写真蝕刻法によってコ
ンタクトホールを開口した後、同図（ｆ）に示すように
、アルミニウム配線層１０７を蒸着形成する。そして最
後にこのアルミニウム配線層１０７を写真蝕刻法によっ
てバターニングし、同図（ｇ）に示すような構造を得る
。

三次元加速度センサを一体形成した実施例上述の実施例
では、半導体基板、起歪体、および重錘体がそれぞれ別
個の部材から成り、これらを接着することによって三次
元加速度センサを構成していたが、これらをすべて同一
材料で一体形成することも可能である。第１０図は、シ
リコン単結晶から成る１チツプで一体形成した実施例の
断面図である。シリコンチップ２００は図のような形状
をしており、抵抗素子が形成されている基板部２０１、
支持部２０２、作用部２０３、および垂鐘部２０４から
構成されている。垂鐘部２０４は結局、シリコンとして
の自重により垂鐘としての働きをする。各抵抗素子はボ
ンディングワイヤ２０５によってリード２０６に接続さ
れる。

このシリコンチップ２００はモールド樹脂２０７で封止
され、上方には蓋板２０８が接着される。

モールド樹脂２０７および蓋板２０８には通気孔２０９
が設けられている。これは、密封してしまうと、温度変
化による密封圧の影響が検出結果に表われてしまうため
である。

なお、第１０図に示すようなシリコンチップ２００を製
造するには、第９図（ｇ）に示す状態から更に、裏面に
堆積された窒化シリコン層１０６をパターニングし、こ
れをマスクとしてアルカリ等のエツチング液を用いてエ
ツチングを行えばよい。

以上、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一例およびその製造方法について詳
述したが、本発明はこのようなピエゾ抵抗効果を利用し
た加速度センサを用いるものに限られるものではなく、
従来一般に用いられているストレーンゲージを利用した
三次元加速度センサを使ってもかまわない。

本発明に係る加速度・傾斜度検出装置の応用本発明に係
る装置によれば、前述のように運動体の加速度と傾斜度
とを定量的に検出することができる。したがって、この
検出結果をフィードバック量として閉ループ制御を行え
ば、加速度あるいは傾斜度を一定に保つような運動制御
あるいは姿勢制御を行うことができる。たとえば、保持
したトレイを常に水平に保ちながら移動するようなロボ
ットの制御に利用することもできるであろうし、絶対静
止系に対して常に同じ向きを維持させるような制御を行
えば、ジャイロのかわりとして用いることもできよう。

〔発明の効果〕

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。

【図面の簡単な説明】

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
抗素子のブリッ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
力がかかっ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１０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・・・ポンディングパ
ッド、１２・・・ボンディングワイヤ、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、１
０５・・・酸化シリコン層、１０６・・・窒化シリコン
＆、１０７・・・アルミニウム配線層、Ｒ・・・抵抗素
子、２００・・・シリコンチップ、２０１・・・基板部
、２０２・・・支持部、２０３・・・作用部、２０４・
・・垂鐘部、２０５・・・ボンディングワイヤ、２０６
・・・リード、２０７・・・モールド樹脂、２０８・・
・蓋板、２０９・・・通気孔。出願人代理人　　佐　　藤　　−雄第２図（α）（ｂ）第３図第５図

Claims

【特許請求の範囲】１、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、前記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、前記一対のセ
ンサを固着支持する基体と、前記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、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、基体が、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三次元加速度センサを取付けた
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、機械的変形によっ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
用部に生じさせる重錘体と、によって三次元加速度セン
サが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、起歪体の中心部または周辺部のどちらか一方を支持
部とし、他方を作用部とす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、半導体基板が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ってこのシリコン基板上に形
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、半導体基板、起歪体、および垂錘体がシリコンの同
一チッ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、三次元加速度センサが、ＸＹＺの３軸で表現される
三次元座標系における加速度を検出することができ、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、この４つの抵抗素子によって
それぞれブリッ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。